基于无线传感器网络的水质监测系统设计

基于无线传感器网络的水质监测系统设计
赵敏华;李莉;呼娜
【摘要】Aiming at the problems of the increasingly serious environmental pollution and the limitations of the traditional wired monitoring water quality, this paper proposes a water quality monitoring system based on Wireless Sensor Network(WSN), including the design of wireless sensor node, the data acquisition of the monitoring water quality parameters through the wireless sensor nodes, and the data are collected through Zigbee network for collection and processing, and through the General Packet Radio Service(GPRS) network, they are promptly transmitted to the remote supervision departments, so as to realize the real-time, effective supervision and management on river water quality situation. The hardware and software circuit design of the system is introduced in detail, and the system is debugged. Experimental results show that the design system can be well applied to water quality monitoring.%使用传统的有线水
质监测系统进行水环境污染检测时，存在监测点数量多、监测时间长等问题。

为此，提出一种基于无线传感器网络的水质监测系统。

通过无线传感器节点对被监测水域进行水质参数的数据采集，将采集到的数据经过 Zigbee 网络进行汇总及处理，并经过 GPRS 网络及时地远程传送给监管部门，从而实现对河流水质情况的实时、
有效的监督和管理。

对水质监测系统的软硬件电路设计进行介绍，并实现对系统的软硬件连调。

实验结果证明，该系统能够满足组网要求，可较好地应用于水质监测领域。

【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】5页(P92-96)
【关键词】水质监测;数据采集;无线传感器网络;Zigbee 技术;CC2430 芯片
【作者】赵敏华;李莉;呼娜
【作者单位】西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安 710055;西安建筑科
技大学信息与控制工程学院，西安 710055;中国航天建设集团有限公司，北京100071
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
1 概述
随着水污染问题日益严重，对水质监测工作提出了更高的要求。

水质监测系统发展经历了多个阶段，由最初的人工监测，发展到现在在线监测系统的研究与应用。

多瑙河沿岸的多个国家共同实施了基于卫星通信系统的水污染监测项目AEWS(the danube Accident Emergency Warming System)[1]。

我国也建立了自行研发的在线监测系统，由单片机作为上位机，监测仪器作为下位机，通过RS232串口通
信对水质参数进行在线监测。

但是这类系统所监测到的数据准确率较低，而且当监测点较多时，通信费用也难以承担[2]。

为改进水质监测系统的局限性，本文提出一种基于无线传感网络技术的水质监测系统，能够实时地进行监测，并将污染信息反馈到监测中心，便于监管部门依据管理。

2 水质监测系统总体设计
衡量水污染的指标主要有温度、PH值、溶氧量(DO)、电导率、浊度、盐度、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、重金属离子等[3]。

在本文系统中，主要针对
采集水中的温度、PH值信息采集及实时远程监控。

2.1 水质监测系统整体结构设计
水质监测具有区域内的监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点[4]。

本
文设计中的水质监测系统主要由数据采集部分、数据远程传输部分以及上位监控中心三大部分组成，如图1所示为水质监测系统结构。

图1 水质监测系统结构
水质监测系统的最底层是数据采集部分，也是本文研究的核心部分，由ZigBee无线传感网络组成。

该部分包括网络协调器、路由节点和传感器节点。

将传感器节点分布于被监测区域，动态地组成ZigBee网络，用于采集水中的温度、PH值等多
种参数；网络协调器是数据的汇聚中心，负责接收传感器节点发出的数据，并对采集到的数据进行处理。

系统的中间层是数据的远程传输部分，由目前技术成熟的GPRS网络实现，操作
性强，应用方便。

最上层即为远程监测中心，监测中心对传输到的水质参数数据进行分析和处理，将原始数据和处理结果显示到上位机界面，对发现存在水质污染情况的区域进行报警，数据库中的历史数据能对工厂的排污是否超标提供依据。

2.2 监测节点设计
在ZigBee无线传感器网络中，传感器节点既能作为路由节点也能作为终端节点，在采集、接收、处理、发送数据的同时，不但要对同一网络的其他节点发送来的数据进行存储、管理和转发等[5]，还要实现与其他节点的协作。

因此，设计系统的
传感器节点，实现被监测系统的数据采集是本文研究设计的重点。

传感器节点主要用来采集水体中的水质参数，并将其各项数据信息传输至上位机。

传感器采集部分主要负责对被监测区域内对象的感知和数据信息的采集；信号调节模块负责对传感器采集的信息进行数据转换；无线通信模块的功能主要是实现本节点与其他传感器节点的无线通信、信息交换以及数据的无线接收和发送；电源是为传感器节点的正常运行供能。

如图 2所示为系统传感器节点的结构示意图。

图2 传感器节点结构
3 系统硬件设计
本文系统的无线传感器网络中包括传感器节点、路由节点、网络协调器节点，不同节点的传感器、外围设备、通信接口有所不同，但核心部分基本一致，以下对主要的功能模块电路设计进行介绍。

3.1 ZigBee模块选型
系统采用 CC2430-F128处理器作为核心，它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee协议。

其内部集成了增强工业标准的8051内核、射频收发器、128 KB内置闪存和8 KB的静态随机存取存储器等高性能模块，并且芯片内部有ZigBee协议栈和低功耗等功能，这些特点使得该芯片在组建ZigBee节点上有一定的优势[6]。

在此基础上CC2430还具备高灵敏度及抗扰性、内置电池监视器、支持多种通信协议、硬件调试等功能[7]。

基于以上特点该芯片满足系统设计的要求，节省资源，简化设计了方案。

3.2 最小系统设计
在最小系统设计中，本文主要对关键部分设计进行简单介绍。

(1)天线
系统设计了2种天线方案，由跳线决定选择哪种天线。

一种是外接SMA接口单极天线，该接口性能优良，但占较大体积，适用于远距离通信；另一种是倒“F”形的 PCB天线。

天线的设计决定了传输的精确性，因此，天线设计中要注意微波传
送带线，这部分主要是完成阻抗匹配，它是两段1/4波长的走线，2.4 GHz条件
下微波传送带线总长不超过 5.8 cm。

天线与处理器间通过电感、电容与天线构成
负载匹配，同时起到隔直流的作用。

在实际应用中根据不同情况选择天线方案。

(2)电源设计
虽然节点功耗较低，但在收发数据的过程中仍然消耗近30 mA的电流，系统设计了2种电源输入接口，5 V便携式电源接口，用于在调试过程中供电；在进行节点低功耗自我供电过程中采用 Apower接口用于外接锂电池或干电池盒，但要保证
供电电流大于 30 mA，供电电压小于10 V。

同时设计中要注意输入输出端与地之间接入去耦电容提高电源的稳定性。

(3)复位
系统具有 3个复位源：按键强制复位，上电复位和看门狗复位，复位后内存和程
序还原到初始值。

3.3 传感器模块设计
3.3.1 PT100温度传感器模块设计
PT100温度传感器模块是铂热电阻。

当温度发生变化时，PT100的阻值会与温度
成比例变化，阻值会随着温度的上升而均匀增加，即可以通过测量阻值而得到所需的稳定值[8]。

且它是一种防水的温度传感器，测温范围在–200°C～850°C之间。

它的精度高，稳定性也较好，成本较低。

如图3所示采用分压式电路对热电阻的
输出电压进行AD采样，用CC2430内部单片机的AD采样功能，以单片机的电
压为参考电压，即可根据电压值和热电阻的线性关系计算出温度值。

而通过调节滑动变阻器，使输出电压在0～3.3 V之间，即可计算出PT100的电压值。

图3 PT100温度采集电路
3.3.2 PH传感器模块设计
PH值是表示水溶液酸碱度的标志。

PH值在6～9之间为国家允许排放的标准[9]。

在PH值的测量中，将玻璃电极作为测量电极，当离子溶液浓度变化时，玻璃电极相对参考电极之间的压差也会发生变化，根据这一原理测量溶液的PH值。

如图4所示为PH值测量调节电路。

该调节电路采用双运放差分放大电路实现采集值从0～3.3 V最大范围的取值，提高了数据采集的精度。

因为PH值在–7～+7之间，变化范围较小，所以可以实现PH电极电压的AD转换。

图4 PH值测量调节电路
4 水质监测系统软件设计
系统的软件设计是在硬件平台的基础上实现的，在考虑到系统的实用性及可扩展的条件下，本文的软件设计选用基于Z-Stack协议栈移植。

4.1 网络协调器节点程序
网络协调器是网络中的第 1个设备，负责整个网络的启动，一个ZigBee网络中只允许有一个网络协调器，但是可以有多个路由器和终端设备[10]。

网络协调器先选择一个信道和一个域网ID(或称为 PAN ID)，然后启动整个网络。

网络协调器的软件设计主要包括协调器新建网络、接收传感器节点发送的数据以及向上位机传输数据。

网络协调器节点程序流程如图5所示。

图5 网络协调器程序流程
4.2 路由器节点程序
路由器要具备允许终端设备加入或离开网络，为终端设备分配网络内部的逻辑地址、建立并维护邻居表等功能。

它在功能上与网络协调器不同的是，路由器节点不能建立网络[11]。

如图6所示为路由器节点程序流程。

图6 路由节点程序流程
从该流程中可以看出，路由器节点程序主要包括几个部分：在路由器节点初始化后，首先通过网络扫描发现一个新的网络，并向协调器发出请求申请加入该网络，确认加入网络成功；然后通过网络监听判断是否有节点申请加入本网络或者是否有数据
信息传输给本路由节点，并对不同情况的节点请求作出相应的回应。

4.3 传感器节点程序
ZigBee传感器节点一般只具有收发数据的功能，它主要负责接收并处理传感器采集的数据，并向网络协调器或路由节点发送数据。

传感器节点没有维持网络的结构的任务，因此，当不需要数据采集时可以睡眠或者唤醒，鉴于休眠模式的功能传感器节点可以使用电池供电。

如图 7所示传感器节点程序流程所示，它的软件设计
主要包括传感器采集部分和网络通信部分，也就是数据的收发。

传感器节点的初始化是先要为参数设置初始值，然后开始发现网络并选择合适的网络与之连接。

图7 传感器节点程序流程
4.4 Zigbee组网设计
由于无线水质监测系统的应用环境复杂性，对传统的Zigbee组网方式进行了改进，从而降低传感器节点的能耗，提高节点的使用率[12]。

在改进过程中，本文引入蚁群算法，而一般的蚁群算法蚂蚁都是通过信息素最多的路径到达目的地，这容易导致该路径上网络节点的能量急剧减少，使整个网络的生命周期缩短，并且很有可能导致该路径出现拥塞。

所以，增加了能量控制因子，在其收敛于最优解的同时，平衡了节点的能量消耗，延长了整个网络的生命周期。

同时考虑了时延因素，时延在一定程度上能有效地反映网络的拥塞程度，有效地缓解网络拥塞。

另外，蚁群算法易陷入局部最优解，表现为路由信息表停滞，因而当网络拓扑结构发生变化时，人工蚂蚁就不能很快发现新出现的更好路径。

本文采用带有奖罚机制的更新方法。

在搜索过程中，若发现的路径比以往最优解更优则进行适当的奖励，否则进行一定的惩罚。

这样可以使得网络中的数据流量尽可能经过不同的路径，从而使得节点的能量消耗相对均衡，能够有效避免蚁群算法陷入局部最优解。

5 系统测试结果及分析
5.1 传感器节点测试
应用Protel DXP软件完成了系统的原理图与PCB板的设计，经过焊接调试，实
现硬件功能。

硬件实物图如图 8所示。

图8 ZigBee模块
传感器经由调节电路将数据传输给传感器节点，通过温度传感器实现对温度的采集。

同时为了验证所测量的温度值的准确性，本文选取3种不同温度的水进行测量对比。

采用实验室水温计和温度传感器对3种温度的水进行测量，由表1可以看出，2种测量方式的测量结果较相近，在存在人为测量误差的基础上，认为传感器的测量精度较好。

表1 水温值测量比较(°C)水温计测量值传感器测量值15.3 15.624.9 25.142.1 42.5
为了验证所测量的 PH值的准确性，选择矿泉水、绿茶、可乐这3种溶液进行取样，测量其相应PH值，与实验室PH计的测量结果进行比较，由表2可以看出，测量的PH值基本能反映相应溶液的酸碱度，但是存在误差，可能有以下3个方面原因：(1)在进行PH电极校准时可能存在误差以及电极校正与测量时周围温度可
能发生变化；(2)运放电压的失调；(3)调节电路设计中数据干扰考虑不全面。

在后
续研究中将根据上述原因进行修正改进，以提高PH值的测量精度。

表2 PH值测量比较溶液测量输出电压/V 测量PH值标准PH值矿泉水 1.249
5.831
6.43绿茶 1.271 5.934 6.51可乐 0.565 2.637 3.39
5.2 点对点通信测试
分别将发送程序(TX)和接收程序(RX)程序编译下载到2个ZigBee模块中。

烧写2个模块的网络地址。

在第1个模块的发送区发送写数据，在第 2个模块即可接收到；同样在第2个模块的发送的数据，可以在第1个模块的接收区被接收到，实
现两模块之间的点对点通信。

经过实验测试，使用本文设计的ZigBee模块，对其中2个模块实现点对点的直接通信，通信的可视距离在100 m以内可以实现数据的可靠传输，能够满足水质监测系统的组网要求。

6 结束语
本文设计一种基于无线传感器网络的水质监测系统。

对传感器节点的硬件设计中重要部分进行详细阐述，描述软件设计中的主要流程，并针对Zigbee网络的组网问题结合水质监测的具体状况进行了研究，提出一种改进的组网方式，提高传感器节点的利用率。

在后续的设计中，需要针对水质监测中所存在的能耗问题、节点放置问题等进行更加深入的研究。

随着物联网的发展，基于无线传感网络的水质监测系统将更为广泛地应用，并通过互联网平台，使更多关心水质状况的人们能随时关注水质状况。

参考文献
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