方愿捷1，常夢(mèng)云2，張飛1
　?。?.巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽 合肥 238000；2.國家電網(wǎng)安徽淮南市潘集區(qū)供電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000）

       摘要：無線自組網(wǎng)系統(tǒng)有著較強(qiáng)的魯棒性，但對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)容易消亡。針對(duì)水域特定檢測(cè)環(huán)境，利用ZigBee、GPRS以及姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)的自組織節(jié)點(diǎn)，利用MEMS陀螺儀增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的環(huán)境的感知能力，并通過差速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊微調(diào)能力增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè)；自組織；姿態(tài)檢測(cè)；MEMS陀螺儀　　

0引言
　　隨著無線自組織技術(shù)的迅速發(fā)展，無線自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種集成了傳感器、無線通信和自動(dòng)化技術(shù)的交叉學(xué)科已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。因其布網(wǎng)方便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，自組織網(wǎng)絡(luò)在大型湖域、海域、森林等都有廣泛應(yīng)用［13］。雖然整個(gè)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的魯棒性，但是對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都會(huì)受到各種惡劣環(huán)境的影響，不可避免地會(huì)造成部分節(jié)點(diǎn)死亡。這種情況出現(xiàn)會(huì)造成不可避免的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)大型湖域、水域等檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，容易受到風(fēng)浪影響，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)容易被損毀。
　　自平衡技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，自平衡小車技術(shù)已經(jīng)很成熟［46］。在無線自組網(wǎng)的水域檢測(cè)系統(tǒng)中，自平衡檢測(cè)節(jié)點(diǎn)將增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)能力以及對(duì)抗惡劣環(huán)境的能力。
1自平衡水域檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　　水域水質(zhì)關(guān)系到居民用水安全，鑒于水域的不同劃分，無線自組織網(wǎng)有不同的層次結(jié)構(gòu)：平面和分級(jí)。根據(jù)水域的特殊性，選用分級(jí)結(jié)構(gòu)，分級(jí)結(jié)構(gòu)圖

　　如圖1所示。分級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)包括：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)。3類節(jié)點(diǎn)各自擔(dān)任的角色不同，但是在該系統(tǒng)中，3種節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)是相同的。
　　

如圖2所示，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用STM32作為主控處理器，搭載PH傳感器、溫度傳感器、ZigBee模塊、MEMS陀螺儀、GPRS模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊并配以顯示和報(bào)警模塊。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的傳感器通過采集溫度數(shù)據(jù)、PH數(shù)據(jù)，通過ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)通過壓縮算法，將數(shù)據(jù)壓縮打包后遠(yuǎn)傳至終端。
　　MEMS陀螺儀對(duì)小船姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到外界環(huán)境影響姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，容易造成傾覆，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)電機(jī)會(huì)進(jìn)行微調(diào)，提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩個(gè)電機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，接受遠(yuǎn)程終端指令，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的能控，可以更好地調(diào)整水域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分布。
2水質(zhì)數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)
　　PH值、水溫度等因素是表征水質(zhì)的重要特征，水質(zhì)數(shù)據(jù)處理單元包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、無線發(fā)送模塊及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊等主要模塊。
　　節(jié)點(diǎn)中的水質(zhì)采集單元里的溫度傳感器使用DS18B20數(shù)字式傳感器，PH傳感器與STM32的AD 模塊相連，直接將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到STM32處理器中。
　　水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)，ZigBee模塊是以CC2430為核心的模塊，CC2430與STM32的復(fù)用引腳的UART實(shí)現(xiàn)串行通信，STM32將檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過UART模塊的發(fā)送引腳發(fā)送至ZigBee模塊，在移位處理器中將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送出去，ZigBee在接收到數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
　　水質(zhì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊使用SIM900A，SIM900A是一個(gè)GSM/GPRS通信模塊，該模塊與處理器通信采用串行異步通信即UART通信，使用模塊時(shí)，只需給SIM900A提供一個(gè)+5 V電源，將其串行通信接口與STM32的另一個(gè)串行口相連，STM32的雙串行接口使得GPRS模塊與ZigBee模塊可以并行工作互不影響，資源得到充分利用。
3節(jié)點(diǎn)姿態(tài)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)
　　MEMS陀螺儀作為姿態(tài)檢測(cè)單元已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于自平衡小車和飛行器中，成為小車、飛行器增模塊［46］。
　　MPU6050六軸傳感器模塊采用高精度陀螺加速計(jì)，傳感器模塊可以對(duì)x、y、z方向的加速度進(jìn)行測(cè)量，通過姿態(tài)矩陣解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波器，將加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，輸出載體姿態(tài)角。其姿態(tài)解算過程如圖3所示。
　　

　　姿態(tài)解算模塊通過I2C與STM32串口相連，STM32通過串口訪問MPU6050獲得載體在x、y、z軸上的姿態(tài)角α、β、γ。輸出的加速信號(hào)和計(jì)算解得的角度信號(hào)如圖4所示［79］。
　　

4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力單元設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具備自組織能力，當(dāng)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)候，鄰近的節(jié)點(diǎn)能夠補(bǔ)上，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)具有能動(dòng)性，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備微調(diào)能力，節(jié)點(diǎn)添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)采用兩個(gè)電機(jī)差速工作。
　　承載結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為聚苯乙烯板，聚苯乙烯有著質(zhì)量輕，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，該船體有著雙層防水層，可以很好地隔開水汽對(duì)電路的干擾，即使最下層破裂也能漂浮在水面上，提高節(jié)點(diǎn)工作的穩(wěn)定性。船體結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)如圖5所示。
　　

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的L9110控制驅(qū)動(dòng)芯片是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，雙通道能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過750~800 mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5~2.0 A，使它在驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
　　

　　MEMS陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)，如果節(jié)點(diǎn)有向某一軸向傾覆的趨勢(shì)，反方向的LG9110驅(qū)動(dòng)電路將輸出PWM波，驅(qū)使一邊的差速電機(jī)獨(dú)立工作，平復(fù)小船傾覆趨勢(shì)。
5實(shí)驗(yàn)測(cè)試
　　各節(jié)點(diǎn)應(yīng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，匯總后將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。在測(cè)試時(shí)，為了驗(yàn)證正確性，數(shù)據(jù)將在簇頭節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行匯總顯示，并與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比調(diào)試。圖7展示了調(diào)試的畫面，上面的電路板為簇頭節(jié)點(diǎn)，下面的電路板為對(duì)等節(jié)點(diǎn)1，可以觀察到對(duì)等節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)出溫度數(shù)據(jù)為19.8℃，PH值為7.62，經(jīng)過ZigBee模塊發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)后匯總，簇頭節(jié)點(diǎn)顯示出當(dāng)前A、B、C、D 4個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)的PH值，匯總的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。
　　

　　測(cè)試過程中，將節(jié)點(diǎn)3的傳感器探頭放在PH大約為2的酸性溶液中，顯示出測(cè)量的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖8所示，測(cè)得PH值為2.41，溫度為20.8℃。
　　

6結(jié)論
　　本文設(shè)計(jì)了帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)自組織節(jié)點(diǎn)在對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)檢測(cè)的方法深入研究的基礎(chǔ)上，圍繞著節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由SIM900A和CC2430組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)在無線傳輸、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳中都得到較好的應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)自帶姿態(tài)檢測(cè)，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)抗擾動(dòng)能力，為節(jié)點(diǎn)自平衡提供了可能。后續(xù)工作中可以將數(shù)據(jù)融合、節(jié)點(diǎn)的自平衡能力作為研究方向，使其可以具備更強(qiáng)的抵抗自然災(zāi)害的能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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