摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段中實(shí)時(shí)性差、監(jiān)測(cè)覆蓋率小、機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)測(cè)終端的動(dòng)態(tài)分布式組網(wǎng)，從而在大范圍水域內(nèi)構(gòu)建多個(gè)配置靈活、布置迅速的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，最終獲得大量有價(jià)值的水質(zhì)數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端可靠性高，檢測(cè)精確。

　　關(guān)鍵詞： 水質(zhì)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；ZigBee

0 引言

　　近些年來(lái)，我國(guó)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也伴隨著水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。水質(zhì)監(jiān)測(cè)作為水資源保護(hù)重要的工作基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，其準(zhǔn)確性、及時(shí)性、可靠性被賦予更高的要求[1]。目前國(guó)內(nèi)主要有實(shí)驗(yàn)室與自動(dòng)監(jiān)測(cè)站兩種水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式，這兩種監(jiān)測(cè)方式均需交流電供電，設(shè)備沉重復(fù)雜，造價(jià)和維護(hù)成本極高，使其在河流、湖泊等水域中使用受到限制。此外，國(guó)內(nèi)流域眾多，地形復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測(cè)覆蓋率低，現(xiàn)場(chǎng)采樣能力不足[2]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作難以突破瓶頸。

　　為了提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)覆蓋率，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，通過(guò)自組網(wǎng)方式在目標(biāo)水域內(nèi)形成動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳傳輸、可自修?fù)的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。建立網(wǎng)絡(luò)后，各終端利用水質(zhì)傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)匯總所有水質(zhì)數(shù)據(jù)，上傳到上級(jí)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行處理。整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水體影響小，監(jiān)測(cè)范圍廣，監(jiān)測(cè)密度大，能對(duì)大范圍水域進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 整體框架

　　在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，PH、溫度、電導(dǎo)率、混濁度、溶解氧是反應(yīng)水體綜合特征的重要參數(shù)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面都必不可少，依此設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端主要由CC2430主控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。CC2430主控制器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；數(shù)據(jù)采集模塊由水泵、液位傳感器、水質(zhì)傳感器調(diào)理電路組成，協(xié)同完成5項(xiàng)水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的采集并發(fā)往CC2430主控制器；終端的能源供應(yīng)采用太陽(yáng)能蓄電池供電；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)在通信不暢的情況下保存終端的水質(zhì)數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，更好地維護(hù)水質(zhì)數(shù)據(jù)的安全性。水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)匯總多個(gè)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)，并依據(jù)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行水質(zhì)分類(lèi)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)水域的全面監(jiān)控與綜合評(píng)測(cè)。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　本文選用TI公司的CC2430作為監(jiān)測(cè)終端的主控制器，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、供電模塊等外接于主控制器構(gòu)建硬件平臺(tái)。由于水質(zhì)傳感器種類(lèi)較多，原理各不相同，在此對(duì)主要的幾類(lèi)水質(zhì)傳感器及其接口電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

　　2.1 PH值測(cè)量電路

　　本設(shè)計(jì)采用玻璃電極法測(cè)量PH值，其工作原理是：當(dāng)目標(biāo)水體的離子氫濃度發(fā)生變化時(shí)，指示電極和參考電極之間的電勢(shì)差也會(huì)產(chǎn)生變化，由此可測(cè)得水溶液PH值[3]。本文使用的PH電極型號(hào)為E201-C，其內(nèi)阻較高，在109Ω以上，PH值與輸出電壓之間滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系59 mV/PH，當(dāng)PH=7時(shí)輸出電壓約為0，輸出電壓呈兩極性且范圍較小。根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)PH值測(cè)量電路如圖2所示。

　　為了與PH復(fù)合電極的高阻抗匹配，電路中選用了高輸入阻抗低噪聲的CA3140運(yùn)算放大器。利用TL431和CA3140為PH的參考電極提供一個(gè)合適的正向偏置電壓，使其輸出電壓能適用于CC2430內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路。在指示電極處接入一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，然后經(jīng)一正向比例放大器進(jìn)行信號(hào)放大得到輸出電壓。PH電極的電勢(shì)差V可用如下公式計(jì)算得出：

　　式中，Vout為PH測(cè)量電路的輸出電壓，Vref為參考電極上的偏置電壓。

　　溶解氧測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方法類(lèi)似，在此不再贅述。

　　2.2 電導(dǎo)率測(cè)量電路

　　電導(dǎo)率傳感器根據(jù)測(cè)量原理不同可以分為電極型傳感器、電感型傳感器以及超聲波型傳感器[4]。本文選用DJS-0.1C電極型電導(dǎo)率傳感器，采用電阻測(cè)量法來(lái)得到電導(dǎo)率，其測(cè)量電路如圖3所示。為了防止在測(cè)量過(guò)程中電極出現(xiàn)極化反應(yīng)，本設(shè)計(jì)采用文氏電橋振蕩器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)頻率為2 kHz、幅值為1 V的正弦波作為電極的激勵(lì)源。電極與水體組成電導(dǎo)池，并可等效成電阻RX，RX與R9、CA3140構(gòu)成一個(gè)反比例放大器，將正弦激勵(lì)源放大。由于不同水樣的電導(dǎo)率不盡相同，通過(guò)對(duì)正弦波放大系數(shù)的計(jì)算就可以得到等效電阻，近而算出水樣的電導(dǎo)率。由于A/D無(wú)法處理交流信號(hào)，因而在電路中加入由雙運(yùn)放LM358構(gòu)成的峰值檢波電路，提取峰值電壓后再送給A/D。目標(biāo)水體的電導(dǎo)率S可用如下公式計(jì)算得出：

　　式中，Vout為測(cè)量電路的輸出電壓，K為電導(dǎo)池參數(shù)，取0.1 cm。

　　2.3 混濁度測(cè)量電路

　　在混濁度測(cè)量上，本文選用GE公司的TS光學(xué)濁度傳感器，傳感器內(nèi)部采用紅外發(fā)光二極管作為檢測(cè)光源，穿透被測(cè)溶液，通過(guò)檢測(cè)其透射光強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)溶液混濁度。由于不同溶液含有的雜質(zhì)和塵埃顆粒的大小與密度不同，透射光強(qiáng)也有所不同，接收端的光電三極管則根據(jù)光強(qiáng)大小產(chǎn)生不同的光電流，經(jīng)過(guò)濾波放大后即可得到與混濁度相關(guān)的檢測(cè)信號(hào)[5]。其測(cè)量電路如圖4所示。為保證光源的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用基于精密電壓基準(zhǔn)芯片MAX6126的恒流源驅(qū)動(dòng)方式。在輸出端用OP07實(shí)現(xiàn)IV轉(zhuǎn)換，將光電三極管輸出的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~500 mV的電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電壓仍然非常微弱，所以接入了一個(gè)放大電路。放大電路使用AD623和少量外部原件搭建一個(gè)改進(jìn)的三儀表放大電路。IV轉(zhuǎn)換后的毫伏級(jí)電壓由正相端輸入，反向端由+5 V分壓后提供一個(gè)1 mV參考電壓。R7為外置增益設(shè)置電阻，取為11 kΩ,設(shè)置輸入信號(hào)放大10倍。

　　2.4 供電模塊

　　考慮到終端需要長(zhǎng)期在戶(hù)外工作，所以采用太陽(yáng)能板和蓄電池供電的方式。設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊對(duì)電壓需求不盡相同，供電模塊如圖5所示。由于監(jiān)測(cè)終端上設(shè)計(jì)有水泵控制電路，水泵工作時(shí)的大電流可能影響主控芯片，使主控芯片出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致癱瘓。設(shè)計(jì)中使用隔離穩(wěn)壓、正負(fù)雙路輸出的DCDC電源芯片AS1212，實(shí)現(xiàn)水泵和其他模塊的隔離，以保證監(jiān)測(cè)終端正常工作。兩路輸出電壓，一路接入2596可調(diào)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片輸出10 V電壓供水泵使用，另一路分別經(jīng)過(guò)7805、7905、1117線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片得到±5 V電壓以及3.3 V電壓供CC2430芯片和其他模塊使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)終端的應(yīng)用程序在Z-Stack協(xié)議棧上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Z-Stack是TI公司為ZigBee開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)的基于事件輪詢(xún)機(jī)制的協(xié)議棧，協(xié)議棧符合ZigBee2006規(guī)范，并支持多種平臺(tái)。協(xié)議棧由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4個(gè)部分組成，自組網(wǎng)功能已在協(xié)議棧內(nèi)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)只需要在應(yīng)用層添加特定的事件處理函數(shù)即可，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單而高效[6]。

　　監(jiān)測(cè)終端作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，在上電后首先完成OSAL系統(tǒng)初始化，然后搜索、篩選最可靠的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提出加入請(qǐng)求，成功加入后就準(zhǔn)備隨時(shí)接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的命令開(kāi)展水質(zhì)采集任務(wù)。

　　鑒于Z-Stack是一個(gè)基于輪詢(xún)機(jī)制的協(xié)議棧，而水質(zhì)傳感器的響應(yīng)速率不高。短時(shí)間內(nèi)頻繁地采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，意義不大。長(zhǎng)時(shí)間停留在一個(gè)任務(wù)處理函數(shù)內(nèi)雖然可以采集有效的數(shù)據(jù)，但Z-Stack協(xié)議棧內(nèi)其他系統(tǒng)任務(wù)則無(wú)法正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)充分利用了Z-Stack多任務(wù)處理的特點(diǎn)，將水質(zhì)采集任務(wù)劃分為多個(gè)階段性的任務(wù)，一方面保證了Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，另一方面多個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)同一水樣的數(shù)據(jù)采集規(guī)避了數(shù)據(jù)的偶然性，提高了水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。水質(zhì)采集任務(wù)的細(xì)化程序流程如圖6所示。

　　本設(shè)計(jì)將水質(zhì)采集任務(wù)劃分為指令解析、水樣抽取、水樣檢測(cè)、水質(zhì)數(shù)據(jù)處理發(fā)送、水樣排放5個(gè)階段性任務(wù)，分別編寫(xiě)事件處理函數(shù)，并對(duì)各個(gè)階段任務(wù)定義了狀態(tài)碼，以說(shuō)明監(jiān)控終端當(dāng)前的工作狀態(tài)。終端可以根據(jù)每個(gè)階段任務(wù)的完成情況，迅速?zèng)Q策下一階段任務(wù)，并將其報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

4 測(cè)試與結(jié)果

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求，針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信性能進(jìn)行了測(cè)試。按照水域環(huán)境功能的不同，分別從3處水域收集水質(zhì)樣本。同樣的水質(zhì)樣本分別使用本文設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端和實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行數(shù)次測(cè)量取得平均值，表1為水質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)。從表1中可看出，系統(tǒng)的水質(zhì)測(cè)量值與實(shí)際值數(shù)據(jù)基本吻合，偏差很小，能夠準(zhǔn)確識(shí)別水樣的水質(zhì)類(lèi)型，可靠性強(qiáng)。

　　ZigBee組網(wǎng)的穩(wěn)定性和傳輸距離的測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可看出，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在一定距離范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸，通信距離達(dá)80 m時(shí)，丟包率顯著上升。因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)在60 m左右組網(wǎng)丟包率低，符合設(shè)計(jì)要求。

　　本文采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和智能水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端。利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，多個(gè)終端可以協(xié)同工作，迅速在目標(biāo)水域布置水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，得到動(dòng)態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該終端結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，工作穩(wěn)定，非常適于在野外水域進(jìn)行大面積、大數(shù)據(jù)量、連續(xù)、準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)做出較好的補(bǔ)充。

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