方愿捷1，常夢云2，張飛1
　?。?.巢湖學院 機械與電子工程學院 安徽 合肥 238000；2.國家電網(wǎng)安徽淮南市潘集區(qū)供電有限責任公司，安徽 淮南 232000）

       摘要：無線自組網(wǎng)系統(tǒng)有著較強的魯棒性，但對于一個節(jié)點來說，節(jié)點容易消亡。針對水域特定檢測環(huán)境，利用ZigBee、GPRS以及姿態(tài)檢測技術，設計了一種帶姿態(tài)檢測的水域水質檢測的自組織節(jié)點，利用MEMS陀螺儀增強節(jié)點對自身的環(huán)境的感知能力，并通過差速電機驅動模塊微調能力增強節(jié)點的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了帶姿態(tài)檢測的水域水質檢測節(jié)點。
　　關鍵詞：水質監(jiān)測；自組織；姿態(tài)檢測；MEMS陀螺儀　　

0引言
　　隨著無線自組織技術的迅速發(fā)展，無線自組織網(wǎng)絡作為一種集成了傳感器、無線通信和自動化技術的交叉學科已經(jīng)得到廣泛的關注。因其布網(wǎng)方便、魯棒性強等特點，自組織網(wǎng)絡在大型湖域、海域、森林等都有廣泛應用［13］。雖然整個系統(tǒng)具備較強的魯棒性，但是對于每個節(jié)點，都會受到各種惡劣環(huán)境的影響，不可避免地會造成部分節(jié)點死亡。這種情況出現(xiàn)會造成不可避免的經(jīng)濟損失。對無線自組網(wǎng)節(jié)點也需要進行設計。針對大型湖域、水域等檢測節(jié)點，容易受到風浪影響，檢測節(jié)點容易被損毀。
　　自平衡技術已經(jīng)在多個領域獲得應用，自平衡小車技術已經(jīng)很成熟［46］。在無線自組網(wǎng)的水域檢測系統(tǒng)中，自平衡檢測節(jié)點將增強節(jié)點的適應能力以及對抗惡劣環(huán)境的能力。
1自平衡水域檢測節(jié)點設計
　　水域水質關系到居民用水安全，鑒于水域的不同劃分，無線自組織網(wǎng)有不同的層次結構：平面和分級。根據(jù)水域的特殊性，選用分級結構，分級結構圖

　　如圖1所示。分級結構應包括：簇內節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和簇頭節(jié)點。3類節(jié)點各自擔任的角色不同，但是在該系統(tǒng)中，3種節(jié)點的設計應是相同的。
　　

如圖2所示，系統(tǒng)節(jié)點采用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、電機驅動模塊并配以顯示和報警模塊。簇內節(jié)點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，簇頭節(jié)點通過壓縮算法，將數(shù)據(jù)壓縮打包后遠傳至終端。
　　MEMS陀螺儀對小船姿態(tài)進行檢測，當節(jié)點受到外界環(huán)境影響姿態(tài)發(fā)生變化時，容易造成傾覆，此時節(jié)點的兩臺電機會進行微調，提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩個電機也可以實現(xiàn)節(jié)點的運動，接受遠程終端指令，實現(xiàn)節(jié)點的能控，可以更好地調整水域內節(jié)點的分布。
2水質數(shù)據(jù)處理單元設計
　　PH值、水溫度等因素是表征水質的重要特征，水質數(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)遠傳模塊等主要模塊。
　　節(jié)點中的水質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，直接將轉換的電壓信號轉換為數(shù)字量輸入到STM32處理器中。
　　水質檢測系統(tǒng)采用ZigBee進行組網(wǎng)，ZigBee模塊是以CC2430為核心的模塊，CC2430與STM32的復用引腳的UART實現(xiàn)串行通信，STM32將檢測的數(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)絡傳送到下一個節(jié)點。
　　水質數(shù)據(jù)遠傳模塊使用SIM900A，SIM900A是一個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，只需給SIM900A提供一個+5 V電源，將其串行通信接口與STM32的另一個串行口相連，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)點姿態(tài)檢測單元設計
　　MEMS陀螺儀作為姿態(tài)檢測單元已經(jīng)廣泛地應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，傳感器模塊可以對x、y、z方向的加速度進行測量，通過姿態(tài)矩陣解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波器，將加速度信號進行數(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。輸出的加速信號和計算解得的角度信號如圖4所示［79］。
　　

4節(jié)點結構及動力單元設計
　　系統(tǒng)節(jié)點具備自組織能力，當節(jié)點死亡的時候，鄰近的節(jié)點能夠補上，需要對節(jié)點具有能動性，因此對節(jié)點應具備微調能力，節(jié)點添加電機驅動模塊能夠實現(xiàn)節(jié)點的驅動，節(jié)點采用兩個電機差速工作。
　　承載結構主要材質為聚苯乙烯板，聚苯乙烯有著質量輕，價格低廉的優(yōu)勢，該船體有著雙層防水層，可以很好地隔開水汽對電路的干擾，即使最下層破裂也能漂浮在水面上，提高節(jié)點工作的穩(wěn)定性。船體結構的外形設計如圖5所示。
　　

　　電機驅動采用的L9110控制驅動芯片是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，雙通道能驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750~800 mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5~2.0 A，使它在驅動直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。驅動電路如圖6所示。
　　

　　MEMS陀螺儀進行姿態(tài)檢測，如果節(jié)點有向某一軸向傾覆的趨勢，反方向的LG9110驅動電路將輸出PWM波，驅使一邊的差速電機獨立工作，平復小船傾覆趨勢。
5實驗測試
　　各節(jié)點應將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)進行匯總，匯總后將數(shù)據(jù)進行打包發(fā)送。在測試時，為了驗證正確性，數(shù)據(jù)將在簇頭節(jié)點上進行匯總顯示，并與接收到的數(shù)據(jù)進行對比調試。圖7展示了調試的畫面，上面的電路板為簇頭節(jié)點，下面的電路板為對等節(jié)點1，可以觀察到對等節(jié)點1檢測出溫度數(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)點后匯總，簇頭節(jié)點顯示出當前A、B、C、D 4個節(jié)點當時的PH值，匯總的節(jié)點數(shù)據(jù)如表1所示。
　　

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

6結論
　　本文設計了帶姿態(tài)檢測的水域水質檢測自組織節(jié)點在對無線自組織網(wǎng)絡和水質檢測的方法深入研究的基礎上，圍繞著節(jié)點，設計了由SIM900A和CC2430組成的無線傳感網(wǎng)絡，節(jié)點在無線傳輸、數(shù)據(jù)遠傳中都得到較好的應用。節(jié)點自帶姿態(tài)檢測，增強了節(jié)點抗擾動能力，為節(jié)點自平衡提供了可能。后續(xù)工作中可以將數(shù)據(jù)融合、節(jié)點的自平衡能力作為研究方向，使其可以具備更強的抵抗自然災害的能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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