基于物联网的水质在线监测系统设计

均可通过 RS485 总线接收来自外部 MCU 的控制指令，然后 分构成。
返回测量原始值、温度值、工程值等三个参数，因而可以大 3.1 感知层 WSN 软件子系统
大简化感知层的设计工作。
感知层 WSN 软件子系统是根据表 1 所示的通讯协议，基
2.2 CC2530 节点的接口电路设计
于 ZigBee 2007Pro 开发的具有自组网功能的星型网络。其中，
接口名称
接口功能
接口名称
接口功能
addData
向数据库添加采集信息的记录 addContro 向数据库添加控制信息的记录
updateControlStat
修改传感器状态
getUserInfo 查询数据库中是否存在此用户
getCollectLocations 查询出传感器部署的地址集 getCollectTypes 返回传感器采集的类型集
顺序 0-3 4-6 7-14 15-16 17-28 29 30-39 40
备注 - 功能码
默认填0
表 2 水质传感器下行链路数据帧格式
帧头 方向 长度 帧代号 功能码 地址段 数据 CRC 帧尾
88 FB FA 08 04 01 01 FF DC 01 06 48 FC FC
８２ 物联网技术 ２０１２年 ／ 第１２期
收稿日期：2012-10-18 基金项目：四川省经济和信息化委员会2011年自然科研基金
(2011XM065)
动 ) 服务器。运行于服务器上的信息管理系统将对数据进行 统计、分析，并根据饮用水用水管理要求实时预警、告警，自 动下发控制指令到 GPRS 无线网关，然后由 ZigBee 网络下发 指令到水质参数调节节点，启动增氧机或 PH 值调节设备、水 泵等，实时调节用水参数。管理人员则可通过 PC、平板电脑 或 PDA 等方式获取实时水质数据，并对设备进行远程控制。
获取类型的最小值
updateSensorNetworkAddr
通过传感器的ID来更新 SensorConfig表的物理地址
getTypeUnit
查询传感器记录类型的单位
4结语 本文基于水质传感器、GPRS、ZigBee 等技术手段设计
了一套水质实时监测系统，能对大范围水面进行 PH 值、浊 度、水位、温度、溶解氧等水质参数的监测。在感知层中，本 系统提供有开放的协议进行扩展，只要在 CC2530 节点上配置 以不同的传感器，便可对系统的监测进行扩展 ；而在传输层， 则利用 3G 网络和 ZigBee/GPRS 网关的开放性，来实现数据 的透明传输 ；在应用层中，系统通过 WebService 提供面向 ZigBee/GPRS 网关和用户的服务，同时，本系统还可以方便地 进行传感器的配置、增减和数据展示。
writeFeedBackInfo
将传感器反馈的信息写入 SensorControl表
addType
增加传感器类型
addSensorinfo
注册传感器信息
getMaxValue
获取类型的最大值
updateSensorPhyAddr
通过传感器的ID来更新 SensorConfig表的物理地址
addType
用北京联创与中国农大开发的、具有测温和温度补偿功能的 3 软件设计
PH10、TS10、WL10、DO10 四类智能传感器来对水的 PH 值、
本 系 统 的 软 件 由 感 知 层 WSN 软 件 子 系 统、 传 输 层
浊度、水位、溶氧量、温度等五项参数进行监测。四类传感器 ZigBee/GPRS 软件子系统和应用层水质信息管理系统等三部
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
基于物联网的水质在线监测系统设计
贾桂林，刘美岑，曾宝国，程远东
(四川信息职业技术学院，四川 广元 628017)
摘 要：针对传统水质监测方案布线困难、成本高等不足，设计了一种基于物联网的水质在线监测系统，实现了对溶解
要设计 RS485 转 3.3 V TTL 电路，图 2 所示就是 CC2530 无 线节点与 RS485 传感器的接口电路 [2]。其中，5.0 V 直流电压
发指定格式的指令，便可通过上行链路获取到如表 3 所列的 返回数据，进而提取出原始值、温度值、工程值等参数。
主要为传感器供电，3.3 V 直流电压为 CC2530 节点供电。通 3.2 传输层 ZigBee/GPRS 无线网关软件子系统
智能PH/ 智能 智能 智能 温度传 溶氧量 水位 浊度 感器 传感器 传感器 传感器
太阳能电池 水质参数采集节点
ZigBee 通信模块 太阳
能电 增氧机 池 控制器
增氧机
水质参数 调节节点
图 1 基于物联网的水质在线监测系统的组成
２０１２年 ／ 第１２期 物联网技术 ８１
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
应用层数据决策由专家数据库系统实现，它由 知识库、推理机、解释器、人机界面、数据库管理 系统等组成。主要子系统包括水质环境监控子系统、 专家决策及知识查询子系统、系统配置子系统、在
图 2 CC2530 无线节点与 RS485 传感器的接口电路
线技术支持子系统等 [5]。
2.3 增氧机控制电路设计
表 1 WSN 数据帧格式
系统中的增氧机控制电路如图 3 所示，CC2530 节点通过 P0.1 控制光耦 T1，并驱动 Q1 控制继电器 J1，从而控制增氧机 电源的通断，达到启动 / 停止增氧机的目的。
项目
帧头
帧类型
物理 地址
网络 地址
数据包
连接 质量
备用 和校验
内容 &WSN ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？
3.3 V
5V
JP1 VCC
本系统的组成图如图 1 所示。系统在水源地布置多个水 上节点（水质参数采集节点、远程视频采集节点、水质参数调 节节点、ZigBee+GPRS 无线网关），然后通过水质参数采集 节点实时采集 PH 值、水温、水位、溶氧量等水质参数，并 通过 ZigBee Endpoint 上传给无线网关的 ZigBee Coordinator， 再 由 后 者 经 串口送 入 GPRS 传 送 到 服 务 器 ；同 时 通 过 IP Camera( 网络摄像机 ) 采集水面视频信息，由 3G 方式送入 ( 移 ————————————————
P0.0
R 62 kΩ
R 10 kΩ
7V
R4
3.3 V 5 V 10 kΩ
R 10 kΩ T1
220 VAC
J1
L
D2 R5
2 kΩ
P0.1 GND CC2530
R3 1 kΩ R 1 kΩ 6N137
Q1
ຫໍສະໝຸດ Baidu固态
2N5551 继电器
N 抽水泵 或增氧机
图 3 增氧机控制电路
字节数 4
3
8 2 12 1 10 1
Keywords: sensor; water quality monitoring; ZigBee; GPRS
0引言 为了彻底解决传统人工水质监测及 DCS、现场总线方式
在管理及应用上存在的布线困难、成本高等不足，本文提出了 以智能水质传感器、无线传感器网络、专家库数据库为核心的 物联网水质在线监测系统。本系统通过分布式动态组网，可 实现大范围、24 h 不间断的监测，同时通过布设在水源地具 有定位功能的无线传感器节点，能够侦测到饮用水源的污染情 况，从而提高管理效率、保障供水安全，解决饮用水及养殖 业水质在线监测和管理问题。 1 系统结构及工作过程
JIA Gui-lin, LIU Mei-cen, ZENG Bao-guo, CHENG Yuan-dong
(Sichuan Institute of Information Technology, Guangyuan 628017, China)
Abstract: To solve the problems of complex wiring and high cost in traditional water quality monitoring programs, a water quality monitoring system based on Internet of Things is designed to achieve the purpose of the acquisition, transmission and processing of multiple parameters, including dissolved oxygen, PH value, and temperature. The scheme is suitable for remote monitoring, and applicable to monitoring the quality of drinking water and water for the aquaculture industry.
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
表 3 水质传感器上行链路数据帧格式
返回数据
帧头 方向 长度 帧代号 功能码 地址段 通道数 保留
通道数据(通道数×4)
原始值
温度
工程值
CRC 帧尾
88 FB AF 15
04 01 00 FF DC 03 02 42 C7 66 41 41 8E 55 3B 3D AE 07 71 7E A9 FC FC 表 4 应用层 WebService 服务接口
本系统的 ZigBee 节点选用成都感智信息技术有限公司的 帧类型主要有节点入网、获取网络参数、获取传感器参数、调
CC2530 节点，该类节点带有 CC2591 增益放大模块，最远通 节水质参数等。表 1 所列是系统的 WSN 数据帧格式。表 2 和
讯距离可达 1 km。由于 CC2530 不支持 RS485 通讯，因而需 表 3 所列是其水质传感器的通讯帧格式。只要在下行链路中下
应 用 通信 层 服务器
数据 服务器
水质监控 信息管理系统
用户
传
3G
输
通信网络
层
ZigBee-GPRS网关 太阳能电池
MG323 GPRS模块
S3C2440 处理模块
CC2530 模块
3G
3G
摄像机 … 摄像机
感
N
1
知
层
太阳能 电池
太阳能 电池
远程视频采集节点
ZigBee通信模块 RS485-RS232总线控制器
RE
B
SHEN A DI GND
R4 MAX13487 5V
10 kΩ
6N137
R5 C5
C6
47 kΩ 0.1 μF 0.1 μF
L1
R6
220 μH
12 kΩ
L2
R7
220 μH D2
47 kΩ P6KE6.8CA*3
5V
5 V JP2 VCC
B D1
A D3
GND
Sensor
应用层水质监控信息管理系统采用 B/S 架构设 计，通过 WebService 提供面向 ZigBee/GPRS 网关和 用户的服务。WebService 服务接口提供的主要服务 接口如表 4 所列。
氧、PH值、温度等多参数的采集、传输、处理。该方案便于远程监测，适用于饮用水及养殖业水质监测等领域。
关键词：传感器；水质监测；ZigBee；GPRS
中图分类号：TP393
文献标识码：A
文章编号：2095-1302(2012)12-0081-03
Design of online water quality monitoring system based on Internet of Things
讯接口转换芯片选择 MAXIM 公司的 MAX13487，光耦 T1、
ZigBee/GPRS 无线网关用于完成管理控制、协议转换以
T2 用于 CC2530 与 RS485 总线的隔离，R8、R9 用于采样电源 电压以便服务器端能实时判断节点的供电情况，R5、R6、R7、
及数据转发功能，可以支持 WSN 网络数据协同和汇聚，并支 持 ZigBee 及 GPRS 接入，从而桥接 WSN 与互联网 [4]。
C5、C6、D1、D2、D3、L1、L2 等为 RS485 总线匹配电路。
3.3 应用层水质监控信息管理系统
3.3 V
JP1 VCC RXD
R1
10 kΩ R9
62 kΩ
P0.0
R8
TXD GND
R210 kΩ 1 kΩ
CC2530
T1 6N137
5V
7V T2
R3 5V 5V
1 kΩ U3
RO VCC
2 硬件电路设计
另外，还需要设计系统传输层无线网关，一般的传输层
2.1 水质传感器选型
无 线网关 应当内置有 CC2530 通信 模 块、S3C2440 控制器、
以养殖用水为例，一般需要对水环境中的 PH 值、浊度、 水位、溶氧量、温度等五项基本参数进行监测 [1]。本系统选
MG323 GPRS 通信模块，并设计有存储、电源管理，以及以 太网接口 [3]。