摘 要： 針對現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測手段中實時性差、監(jiān)測覆蓋率小、機動監(jiān)測能力差等缺點，設(shè)計一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的實時水質(zhì)監(jiān)測終端。利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)多個監(jiān)測終端的動態(tài)分布式組網(wǎng)，從而在大范圍水域內(nèi)構(gòu)建多個配置靈活、布置迅速的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，最終獲得大量有價值的水質(zhì)數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。測試結(jié)果表明，該水質(zhì)監(jiān)測終端可靠性高，檢測精確。

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

0 引言

　　近些年來，我國在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，也伴隨著水資源的過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞。水質(zhì)監(jiān)測作為水資源保護重要的工作基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，其準(zhǔn)確性、及時性、可靠性被賦予更高的要求[1]。目前國內(nèi)主要有實驗室與自動監(jiān)測站兩種水質(zhì)監(jiān)測方式，這兩種監(jiān)測方式均需交流電供電，設(shè)備沉重復(fù)雜，造價和維護成本極高，使其在河流、湖泊等水域中使用受到限制。此外，國內(nèi)流域眾多，地形復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率低，現(xiàn)場采樣能力不足[2]。水質(zhì)監(jiān)測工作難以突破瓶頸。

　　為了提高水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率，提高水質(zhì)監(jiān)測工作效率，本文設(shè)計了一種水質(zhì)監(jiān)測終端，利用ZigBee無線傳感技術(shù)，通過自組網(wǎng)方式在目標(biāo)水域內(nèi)形成動態(tài)拓撲、多跳傳輸、可自修復(fù)的無線水質(zhì)自動監(jiān)測網(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)，通過無線傳感網(wǎng)匯總所有水質(zhì)數(shù)據(jù)，上傳到上級監(jiān)測站進行處理。整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對水體影響小，監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測密度大，能對大范圍水域進行分布式實時自動監(jiān)測。

1 整體框架

　　在水質(zhì)監(jiān)測中，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)測方面都必不可少，依此設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測終端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測終端主要由CC2430主控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊構(gòu)成。CC2430主控制器負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和無線數(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)采用太陽能蓄電池供電；數(shù)據(jù)存儲模塊負責(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)時重新發(fā)送數(shù)據(jù)，更好地維護水質(zhì)數(shù)據(jù)的安全性。水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)利用ZigBee無線傳感技術(shù)匯總多個監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，并依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對目標(biāo)水體進行水質(zhì)分類，最終實現(xiàn)對目標(biāo)水域的全面監(jiān)控與綜合評測。

2 硬件設(shè)計

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

　　2.1 PH值測量電路

　　本設(shè)計采用玻璃電極法測量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，指示電極和參考電極之間的電勢差也會產(chǎn)生變化，由此可測得水溶液PH值[3]。本文使用的PH電極型號為E201-C，其內(nèi)阻較高，在109Ω以上，PH值與輸出電壓之間滿足線性關(guān)系59 mV/PH，當(dāng)PH=7時輸出電壓約為0，輸出電壓呈兩極性且范圍較小。根據(jù)上述原理，設(shè)計PH值測量電路如圖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運算放大器。利用TL431和CA3140為PH的參考電極提供一個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電壓跟隨器進行阻抗匹配，然后經(jīng)一正向比例放大器進行信號放大得到輸出電壓。PH電極的電勢差V可用如下公式計算得出：

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

　　溶解氧測量電路的設(shè)計方法類似，在此不再贅述。

　　2.2 電導(dǎo)率測量電路

　　電導(dǎo)率傳感器根據(jù)測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，采用電阻測量法來得到電導(dǎo)率，其測量電路如圖3所示。為了防止在測量過程中電極出現(xiàn)極化反應(yīng)，本設(shè)計采用文氏電橋振蕩器來產(chǎn)生一個頻率為2 kHz、幅值為1 V的正弦波作為電極的激勵源。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)成一個反比例放大器，將正弦激勵源放大。由于不同水樣的電導(dǎo)率不盡相同，通過對正弦波放大系數(shù)的計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無法處理交流信號，因而在電路中加入由雙運放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可用如下公式計算得出：

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

　　2.3 混濁度測量電路

　　在混濁度測量上，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)光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，通過檢測其透射光強度來檢測溶液混濁度。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，透射光強也有所不同，接收端的光電三極管則根據(jù)光強大小產(chǎn)生不同的光電流，經(jīng)過濾波放大后即可得到與混濁度相關(guān)的檢測信號[5]。其測量電路如圖4所示。為保證光源的穩(wěn)定性，本設(shè)計采用基于精密電壓基準(zhǔn)芯片MAX6126的恒流源驅(qū)動方式。在輸出端用OP07實現(xiàn)IV轉(zhuǎn)換，將光電三極管輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為0~500 mV的電壓信號。轉(zhuǎn)換后的電壓仍然非常微弱，所以接入了一個放大電路。放大電路使用AD623和少量外部原件搭建一個改進的三儀表放大電路。IV轉(zhuǎn)換后的毫伏級電壓由正相端輸入，反向端由+5 V分壓后提供一個1 mV參考電壓。R7為外置增益設(shè)置電阻，取為11 kΩ,設(shè)置輸入信號放大10倍。

　　2.4 供電模塊

　　考慮到終端需要長期在戶外工作，所以采用太陽能板和蓄電池供電的方式。設(shè)計中各個模塊對電壓需求不盡相同，供電模塊如圖5所示。由于監(jiān)測終端上設(shè)計有水泵控制電路，水泵工作時的大電流可能影響主控芯片，使主控芯片出現(xiàn)異常，進而導(dǎo)致癱瘓。設(shè)計中使用隔離穩(wěn)壓、正負雙路輸出的DCDC電源芯片AS1212，實現(xiàn)水泵和其他模塊的隔離，以保證監(jiān)測終端正常工作。兩路輸出電壓，一路接入2596可調(diào)開關(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7805、7905、1117線性穩(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

　　監(jiān)測終端的應(yīng)用程序在Z-Stack協(xié)議棧上進行開發(fā)。Z-Stack是TI公司為ZigBee開發(fā)專門編寫的基于事件輪詢機制的協(xié)議棧，協(xié)議棧符合ZigBee2006規(guī)范，并支持多種平臺。協(xié)議棧由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4個部分組成，自組網(wǎng)功能已在協(xié)議棧內(nèi)實現(xiàn)，用戶只需要在應(yīng)用層添加特定的事件處理函數(shù)即可，開發(fā)簡單而高效[6]。

　　監(jiān)測終端作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點，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)提出加入請求，成功加入后就準(zhǔn)備隨時接收協(xié)調(diào)節(jié)點的命令開展水質(zhì)采集任務(wù)。

　　鑒于Z-Stack是一個基于輪詢機制的協(xié)議棧，而水質(zhì)傳感器的響應(yīng)速率不高。短時間內(nèi)頻繁地采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，意義不大。長時間停留在一個任務(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)則無法正常運行。本設(shè)計充分利用了Z-Stack多任務(wù)處理的特點，將水質(zhì)采集任務(wù)劃分為多個階段性的任務(wù)，一方面保證了Z-Stack協(xié)議棧運行的實時性，另一方面多個時間點對同一水樣的數(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)的細化程序流程如圖6所示。

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

4 測試與結(jié)果

　　根據(jù)設(shè)計需求，針對水質(zhì)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和無線網(wǎng)絡(luò)的通信性能進行了測試。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)計的水質(zhì)監(jiān)測終端和實驗室水質(zhì)監(jiān)測儀進行數(shù)次測量取得平均值，表1為水質(zhì)測試數(shù)據(jù)。從表1中可看出，系統(tǒng)的水質(zhì)測量值與實際值數(shù)據(jù)基本吻合，偏差很小，能夠準(zhǔn)確識別水樣的水質(zhì)類型，可靠性強。

　　ZigBee組網(wǎng)的穩(wěn)定性和傳輸距離的測試結(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)可以實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸，通信距離達80 m時，丟包率顯著上升。因此本文設(shè)計的系統(tǒng)ZigBee節(jié)點在60 m左右組網(wǎng)丟包率低，符合設(shè)計要求。

　　本文采用ZigBee無線傳感技術(shù)和智能水質(zhì)傳感器設(shè)計了一種無線實時水質(zhì)監(jiān)測終端。利用無線傳感網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，多個終端可以協(xié)同工作，迅速在目標(biāo)水域布置水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，得到動態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。該終端結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)，工作穩(wěn)定，非常適于在野外水域進行大面積、大數(shù)據(jù)量、連續(xù)、準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測，對現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)做出較好的補充。

參考文獻

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