喬 欣 孔 兵

（巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

近年來，“綠水青山就是金山銀山”的理念不斷深入人心，然而針對大面積、復(fù)雜環(huán)境因素等問題的水源監(jiān)測成為了當(dāng)前改善生態(tài)環(huán)境的難題[1-3]。

2017年11月的巢湖水質(zhì)分析報(bào)告顯示，東半湖、西半湖及全湖的水質(zhì)均呈中度污染，全湖主要污染物為總氮、總磷，其中總氮濃度為0.74～2.16 mg/L，均值為1.27 mg/L，總磷濃度為0.05～0.16 mg/L，均值為0.12 mg/L，雖然這些數(shù)據(jù)并不能表征全湖，但是對比上一年來看是有所惡化的。作為中國五大淡水湖之一的巢湖，水質(zhì)惡化監(jiān)測難、缺少先進(jìn)的監(jiān)測手段、無法實(shí)時(shí)反映當(dāng)前水質(zhì)情況等問題是當(dāng)今面臨的主要問題[4]。巢湖水質(zhì)的嚴(yán)重污染已經(jīng)成為巢湖流域經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的瓶頸，使該地區(qū)既不能形成良好的人居環(huán)境，又不能形成健康、安全的投資環(huán)境，嚴(yán)重影響和制約了流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展，最為直觀的是影響到依靠湖水進(jìn)行的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及居民的生活健康。因此，基于當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)解決巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題顯得尤為重要[5-7]。

水質(zhì)監(jiān)測可以分為環(huán)境水體監(jiān)測和水污染源監(jiān)測，兩種監(jiān)測互補(bǔ)，不僅要監(jiān)控當(dāng)前水體情況，還需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的污染源或者排放口，改善水質(zhì)[8]。傳統(tǒng)水質(zhì)水域檢測方法主要是以人工采樣然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析為主，這種方法缺少連續(xù)性、時(shí)效性差、效率低下且數(shù)據(jù)樣本少等問題，對于實(shí)現(xiàn)水污染源監(jiān)測較為困難，阻礙了后續(xù)工作者對巢湖水資源進(jìn)行科學(xué)有效治理的研究[9-11]。而有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測能夠解決時(shí)效性問題且能夠保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，常被用于巢湖的環(huán)湖河流流入時(shí)監(jiān)測，針對大面積的湖水檢測因其成本高、范圍受限、施工復(fù)雜等因素，不適用于巢湖水質(zhì)監(jiān)測[12-13]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種可大規(guī)模部署形成以數(shù)據(jù)為中心的自組網(wǎng)絡(luò)，具有成本低、可擴(kuò)展性好，智能化程度高，不受范圍影響等特點(diǎn)，在智能監(jiān)測、監(jiān)控領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[14-15]。如果部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)找出水質(zhì)污染指標(biāo)的變化特征不僅能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境水體監(jiān)測而且能夠?qū)崿F(xiàn)水污染源監(jiān)測[16]。

針對水質(zhì)監(jiān)測和水域污染等問題，學(xué)者已經(jīng)做了大量的相關(guān)研究工作，如文獻(xiàn)[17]提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸及采用模糊算法進(jìn)行測評的方法對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)計(jì)了水質(zhì)狀態(tài)通過手機(jī)APP展示方式。文獻(xiàn)[18]提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，文中主要闡述了軟硬件設(shè)計(jì)的過程。然而針對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃蛩|(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，不僅要有詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)也需采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、結(jié)果評估等分析。

基于此，研究提出了一種基于ZigBee技術(shù)的巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以溫度、pH值、溶解氧為采集特征，設(shè)計(jì)了相應(yīng)特征的傳感器節(jié)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測的不足，實(shí)現(xiàn)了巢湖水質(zhì)的無線監(jiān)測、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理圖

巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor node）、路由節(jié)點(diǎn)（Routenode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sinknode）、監(jiān)控中心（Monitoring center）等部分組成[19]。

其中，傳感器節(jié)點(diǎn)：是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元。其基本組成模塊有：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分（如圖1所示），需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答路由節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作[20]。

路由節(jié)點(diǎn)：與傳感器節(jié)點(diǎn)組成模塊類似，與傳感器節(jié)點(diǎn)相比缺少傳感單元，可以參與路由發(fā)現(xiàn)、信息轉(zhuǎn)發(fā)、通過連接的節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。

匯聚節(jié)點(diǎn)：是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，一方面收集來自路由節(jié)點(diǎn)的采集信息，另一方面負(fù)責(zé)與外部網(wǎng)絡(luò)互通，具備下發(fā)指令、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等功能。

監(jiān)控中心：是集歷史數(shù)據(jù)存儲、指標(biāo)展示、預(yù)警、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、水質(zhì)參數(shù)采集任務(wù)管理等一體的監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測區(qū)域由傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)組成，通過ZigBee協(xié)議自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，各個(gè)節(jié)點(diǎn)以多跳的方式協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。定時(shí)監(jiān)測過程：傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集到數(shù)據(jù)后將信息廣播到周圍鄰近的路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)收集周圍節(jié)點(diǎn)的信息后通過無線的方式傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)包括ZigBee與GPRS兩個(gè)模塊，ZigBee負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，GPRS模塊負(fù)責(zé)通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給監(jiān)控中心，指令監(jiān)測即監(jiān)控中心發(fā)出監(jiān)測指令經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下達(dá)至傳感器節(jié)點(diǎn)，使其激活并執(zhí)行采集活動達(dá)到指令監(jiān)測的目的。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形、簇樹形、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來功能簡單，容易受中心節(jié)點(diǎn)的影響。簇樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦中間節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也會癱瘓。網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)伸縮性較好，具有動態(tài)組網(wǎng)和自動連接路由的功能能，傳輸性能很高，因此，采用網(wǎng)狀型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)是巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，由傳感器探頭、信號調(diào)理電路、處理器模塊、無線通信模塊以及電源管理模塊[6]、浮標(biāo)、固定裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。研究采集三類特征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并設(shè)計(jì)了浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)即將除了三類傳感器探頭外的其他模塊安置在浮標(biāo)上，并采用固定裝置將浮標(biāo)固定，防止由于暗流、風(fēng)速等因素導(dǎo)致浮標(biāo)位置漂移，同時(shí)記錄浮標(biāo)的經(jīng)緯度。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作原理：首先傳感器探頭采集溫度、pH值、溶解氧三類特征的弱電信號，接著經(jīng)信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大、濾波處理后，傳送給CC2530的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，最后信息由CC2530的ZigBee通信模塊廣播給其他協(xié)作節(jié)點(diǎn)。電源管理模塊為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電，包括3.3 V、5 V等電源轉(zhuǎn)換。路由節(jié)點(diǎn)硬件原理結(jié)構(gòu)圖與傳感器節(jié)點(diǎn)相似。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

匯聚節(jié)點(diǎn)由CC2530控制器、GPRS模塊、存儲器、電源管理模塊組成，本文將GPRS模塊引入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)旨在解決遠(yuǎn)距離通信問題。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

由于巢湖水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測復(fù)雜，因此在本設(shè)計(jì)中傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電以降低功耗。下面分別介紹各個(gè)傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 溫度調(diào)理電路設(shè)計(jì)

溫度調(diào)理電路采用+5 V與-5 V供電的電橋與運(yùn)放組成，通過控制電橋平衡來控制輸出電壓值。調(diào)節(jié)滑動變阻器Rp的阻值使電橋平衡，此時(shí)放大器輸出為0 V，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)電橋失去平衡狀態(tài)，此時(shí)放大器輸出電壓為Vt，利用CC2530芯片的AD轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)電壓值和熱敏電阻的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出溫度值。溫度調(diào)理電路如圖4所示。推導(dǎo)出放大器的輸出電壓計(jì)算公式為：

其中，R1∶R6分別為固定電阻，RP為可調(diào)電阻，Rt為熱敏電阻。

圖4 溫度調(diào)理電路

2.2 pH值信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

pH值是表示水質(zhì)在6～9正常范圍的酸堿程度，pH電極將被測溶液的pH值轉(zhuǎn)化為電壓信號[7]，通過電極之間壓差的變化測量出水質(zhì)pH值的大小。實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)pH值復(fù)合電極輸出的電壓較小，無法直接算出pH值的大小，因此采用雙運(yùn)放差分放大器將電壓的輸出范圍放大至0～3.3 V，pH值信號調(diào)理電路如圖5所示。

推導(dǎo)出pH值信號調(diào)理電路的輸出電壓為：

式中，Vin是 pH 電極輸出電壓，R9，R10，R12∶R15分別為固定電阻，R11，R16為可調(diào)電阻。

圖5 pH值信號調(diào)理電路

2.3 溶解氧信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

溶解氧電極輸出的溶氧度與電極輸出的電流成線性關(guān)系，而實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)電極輸出的電流信號非常小，只有幾十微安，因此，在調(diào)理電路中采用5 V供電的運(yùn)算放大器構(gòu)成2級放大，第一級放大經(jīng)運(yùn)算放大器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，第二級放大通過A/D轉(zhuǎn)換電路放大濾波輸出電壓值。

3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

巢湖水質(zhì)監(jiān)測采用自組網(wǎng)的方式將傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成無線網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)按照硬件與軟件的設(shè)計(jì)分工明確。

信息管理平臺能夠讓用戶及時(shí)地獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)（報(bào)警闊值、采樣間隔）的重新配置。在進(jìn)行系統(tǒng)功能劃分時(shí)以數(shù)據(jù)為主線，采用模塊化設(shè)計(jì)方法,整個(gè)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃椋和ㄐ殴芾砟K、人機(jī)交互界面模塊、配置管理、數(shù)據(jù)庫模塊和其他功能模塊等5個(gè)功能模塊，如圖6所示。

圖6 信息管理平臺功能模塊劃分

開發(fā)的遠(yuǎn)程信息管理平臺針對水質(zhì)監(jiān)測，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采集的水質(zhì)參數(shù)種類多，監(jiān)測密集，單位時(shí)間內(nèi)交易的數(shù)據(jù)量大,因此需要穩(wěn)定的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫軟件來支持具體功能，分層體系架構(gòu)如圖7所示。

圖7 信息管理平臺軟件架構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)主要起到數(shù)據(jù)的定時(shí)采集數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)、自動組網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、接收與執(zhí)行路由節(jié)點(diǎn)的控制消息等作用。因此，基于ZigBee協(xié)議棧的傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過程如圖8所示。傳感器節(jié)點(diǎn)周期的采集數(shù)據(jù)，考慮到能耗問題，實(shí)際采集頻率設(shè)置為1次/小時(shí)。啟用CC2530的定時(shí)器模塊，每次采集完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)，再次循環(huán)進(jìn)行新一輪的采集任務(wù)。

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置，其負(fù)責(zé)接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息，并將信息傳至監(jiān)控中心，也可將監(jiān)控中心下達(dá)的命令發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而傳至傳感器節(jié)點(diǎn)，完成信息的接收和發(fā)送[8]。匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

本部分進(jìn)行了兩部分測試：丟包率測試與巢湖水體特征數(shù)據(jù)測試，其中測試水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的丟包率是為了檢驗(yàn)可靠性與穩(wěn)定性，水體特征數(shù)據(jù)測試是驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸能力、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

丟包率測試：首先基于文獻(xiàn)[15]中的研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)RSSI與傳輸距離有關(guān)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，RSSI與丟包率為強(qiáng)關(guān)聯(lián)，在通信半徑R小于固定值K時(shí)RSSI對丟包率的影響不大，當(dāng)R＞K時(shí)，RSSI越大，丟包率越低，因此本次實(shí)驗(yàn)通信半徑設(shè)置為40 m。將節(jié)點(diǎn)固定在浮標(biāo)上，部署5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，5個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)在300 m×300 m的水域范圍內(nèi)，測試采集頻率設(shè)置為30 min/次，連續(xù)采集21 d，得到如表1所示數(shù)據(jù)。從表中看出，該系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性與可靠性，平均丟包率為0.8%。此外，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲、軟件設(shè)計(jì)接收機(jī)制等都可以影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性傳輸。

水質(zhì)特征數(shù)據(jù)測試：在25℃條件下，在實(shí)驗(yàn)室使用鄰苯二甲酸氫鉀與鹽酸配置不同的pH溶液供實(shí)驗(yàn)測試。如表2所示，使用pHscan 20測量計(jì)測量的pH值與本系統(tǒng)測量巢湖水質(zhì)參數(shù)的pH值接近，誤差在1.17%。在選擇傳感器節(jié)點(diǎn)與溫度計(jì)同時(shí)測量同一水杯中的水溫，大量測試數(shù)據(jù)中，同時(shí)使用YSI550A測出溶液的溶解氧，選擇了5個(gè)對比值。如表3所示，從表3中可以看出，溫度測量精度在0.4℃以內(nèi)，溶解氧測量精度在0.2 mg.L-1以內(nèi)，平均相對誤差分別為0.56%、1.59%，本文設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)測量精確，可以滿足巢湖水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用的要求。圖10是本系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)測量儀器連續(xù)監(jiān)測20 h的數(shù)據(jù)，從圖10中可以看出，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)差別不大，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足正常監(jiān)測的需求。

表1 無線傳感器網(wǎng)丟包率統(tǒng)計(jì)

表2 25℃時(shí)pH值測試結(jié)果

表3 水溫與溶解氧測試結(jié)果

圖10 水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線圖

5 結(jié)論

針對巢湖水質(zhì)水域情況，研究設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的巢湖水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度、pH值、溶解氧三種參數(shù)評估水質(zhì)現(xiàn)狀，路由節(jié)點(diǎn)把采集到的水質(zhì)參數(shù)傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的水質(zhì)參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)，滿足水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用的需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)測量精確，穩(wěn)定可靠，能夠大范圍的監(jiān)測巢湖水資源環(huán)境，為保護(hù)生態(tài)巢湖提供技術(shù)支持。然而，雖然系統(tǒng)可以解決實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，但是面對海量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用、水質(zhì)預(yù)警、污染源快速定位等問題仍需進(jìn)一步研究，同時(shí)基于救援、旅游、水上作業(yè)、災(zāi)害預(yù)警等高精度定位研究也是關(guān)鍵技術(shù)，未來結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)建立合適的分析模型同時(shí)優(yōu)化定位技術(shù)是重點(diǎn)的研究方向。