水污染遠程監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

陳祖爵 郭秋月 施 展 江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院

在水資源的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控方面，國外已有把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于水污染監(jiān)測系統(tǒng)中的例子，美國Heliosware公司的CS0net系統(tǒng)[1]是由CSOnet logieeover（節(jié)點）和CSOnet網(wǎng)關(guān)（接入點）組成，用戶可以通過WiFi、WiMax、手機、以太網(wǎng)等方式訪問網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，達到了面向分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制監(jiān)測的目的。2008年澳大利亞CSIR的Fleck系統(tǒng)[2]是采用Atmega128L嵌入式處理器作為控制單元，通信裝置采用Nordic nRF903，以adhoc的方式來組成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和實時發(fā)送。國內(nèi)也有相應(yīng)的水污染監(jiān)測研究，杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所對于水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)提出了結(jié)合視頻監(jiān)測的設(shè)計方案[3-5]，網(wǎng)絡(luò)通信采用Zigbee與CDMA結(jié)合的方式，TCP/IP協(xié)議采用內(nèi)嵌協(xié)議棧；2010年，寧波中科集成電路設(shè)計中心推出了一套面向行業(yè)應(yīng)用的工業(yè)級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)GMesh[6-7]，采用集成高精度傳感器來實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入到GMesh構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)可靠傳輸。本文針對傳統(tǒng)方式所存在的問題，著眼于建立一種面向無線傳感器的水污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，探索如何能夠?qū)崿F(xiàn)實時、遠程、無線、低功耗的水污染監(jiān)測系統(tǒng)。

1 水污染檢測原理

水環(huán)境中需要檢測的參數(shù)有：PH、電導(dǎo)率、COD、溫度、硝酸根離子、氯離子、氧離子、鉀離子等。其中PH是水溶液最重要的物理化學(xué)參數(shù)之一，凡涉及到水溶液的自然現(xiàn)象、化學(xué)變化以及生產(chǎn)過程都與PH有關(guān)，在生產(chǎn)、科研、人類生活的各方面都需要測量PH值，所以在該水污染監(jiān)測系統(tǒng)中，重點描述對環(huán)境水質(zhì)PH值傳感器節(jié)點的研究與設(shè)計。

1.1 PH值傳感器選型

目前有以下幾種PH傳感器[8-9]：光化學(xué)PH傳感器、離子敏PH傳感器、玻璃電極傳感器、銻電極傳感器、酶PH傳感器等。與其他傳感器相比，玻璃電極傳感器具有測量范圍寬、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、精度高等特點，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

上海雷磁公司生產(chǎn)的E-201-C型PH復(fù)合電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復(fù)合電極，是PH值測量元件，用來測量水溶液的PH值（氫離子活度），適合用于嚴酷外部環(huán)境，具有極好的線性和較弱的滯后效應(yīng)，能夠及時的測量PH值，輸出mV信號，提供溫度與電壓自動補償。應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥工業(yè)、染料工業(yè)中需要檢測水溶液PH值的場合。PH玻璃電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PH玻璃電極

1.2 PH值傳感器測量原理

由于玻璃電極的特殊性，檢測PH值時通常使用電位法測量。

將玻璃電極作為指示電極，銀-氯化銀電極作為參比電極，將電極插人待測溶液，復(fù)合玻璃電極和待測溶液組成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別為原電池的正極和負極。依據(jù)奈恩斯特方程，原電池輸出電動勢、被測溶液絕對溫度及被測溶液PH值之間滿足如下關(guān)系：

式中E為原電池輸出電動勢mV；E0為常數(shù)，為與電極材料、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極以及液接電位有關(guān)的電位差mV；K為常數(shù)，為NERNST系數(shù)；T為被測溶液的絕對溫度；PHx是被測溶液的PH值；PH0是常數(shù)，為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液的PH值。由式（1）可知，被測溶液的PH值和溫度共同作用產(chǎn)生原電池輸出電動勢，因此同時測量原電池輸出電動勢和溶液溫度就能根據(jù)式（1）計算出被測溶液的PH值。由于玻璃電極的制造工藝等原因，式（1）中參數(shù)E0和K的實際值與它們的理論值會有差異，并且隨著電極的老化而改變，因此必須用PH值已知的標準緩沖溶液校正電極。具體校正方法如下：設(shè)兩個標準緩沖溶液的PH值分別為PH1、PH2，輸出電動勢分別為E1和E2，在相同溫度T下標定，由式（1）得到溶液輸出電動勢E與PH關(guān)系如下式所示：

由式（2）得：

將兩個標準緩沖溶液的酸度PH1、PH2和對應(yīng)電動勢E1、E2帶入算出的參數(shù)K，由式（4）得到待測溶液的PH值。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 PH值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成

PH值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由PH復(fù)合玻璃電極、PH信號調(diào)理電路、控制器C8051F930和Si4432收發(fā)芯片組成。主要是負責(zé)對水質(zhì)參數(shù)進行采樣，經(jīng)過PH信號調(diào)理電路對其采集到的電壓信號或者電流信號進行放大處理，然后送到控制器C8051F930進行A/D轉(zhuǎn)換，即把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Si4432收發(fā)芯片進行通信。節(jié)點組成如圖2所示：

圖2 PH傳感器節(jié)點組成

2.2 信號采集與調(diào)理電路設(shè)計

PH傳感器測量原理是利用敏感電極與參比電極的電勢差進行測量，輸出的是mV信號。PH值的輸出電壓與被測液體的PH值呈線性關(guān)系，靈敏度為54.2mV/PH，輸出信號呈雙極性變化，在溫度25℃、PH=0時，輸出為0mV。只需對PH傳感器的輸出電壓進行處理和測量，就可得到相應(yīng)的PH值。設(shè)計中采用PH復(fù)合玻璃電極，由于PH測量電極內(nèi)阻大，要求前置放大器有較高的輸入阻抗，選用運放LMC系 列的放大器，它具有輸入阻抗高、低偏置電流、低噪聲、高增益等特點，主要用來完成阻抗匹配、降低測量噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等作用。PH值信號采集與調(diào)理電路設(shè)計如圖3所示：

圖3 PH值信號采集與調(diào)理電路

圖3中，R8連接C8051F930的A/D輸入通道A/D采用內(nèi)電壓基準1.68V，PH值檢測的輸出電位滿足：式中Ui為傳感器（ PH電極）電極的輸入電壓；此外，為得到更準確的PH測量的電壓值，在電路中加一個穩(wěn)壓管，這樣PH值信號的檢測會更加準確。

2.3 控制器電路設(shè)計

控制器電路主要是完成對PH值進行A/D轉(zhuǎn)換以及和收發(fā)芯片的的數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點采用的是Silicon Labs的低功耗混合信號ISPFLASH微控制器C8051F930。它集成了10位的SAR A/D轉(zhuǎn)換器，具有多種啟動模式和自動低功耗突發(fā)模式，可以自動使能ADC0，采集和累加樣本，然后再將ADC0置于低功耗斷電狀態(tài)，所有這些操作都不需要CPU干預(yù)。ADC0還有一個16位的累加器，可以自動過采樣和對ADC結(jié)果求均值；以上滿足了系統(tǒng)對控制器的低功耗、高集成度、高性能、低成本的要求?？刂破麟娐吩O(shè)計如圖4所示：

圖4 PH控制器電路設(shè)計

2.4 無線收發(fā)電路設(shè)計

無線收發(fā)單元是節(jié)點中重要的組成部分。采用的是Silicon Labs公司的Si4432芯片，它是一款高集成度、低功耗、多頻段的無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9～3.6V，內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，且成本低。由C8051F930單片機控制Si4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，發(fā)送模塊中的C8051F930將數(shù)據(jù)傳送給Si4432進行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調(diào)之后，再將數(shù)據(jù)送給控制器C8051F930進行相應(yīng)的處理。無線收發(fā)電路設(shè)計原理圖如圖 5所示：

圖5 PH無線收發(fā)電路設(shè)計原理圖

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 PH值監(jiān)測節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)

PH值監(jiān)測節(jié)點軟件的主要功能是負責(zé)監(jiān)測現(xiàn)場水質(zhì)，并進行數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)進行初始化，啟用定時休眠模式，當定時時間到時，采集PH值數(shù)據(jù)并分析處理，然后進行數(shù)據(jù)發(fā)送，返回休眠模式。采用休眠模式可節(jié)省系統(tǒng)運行的功耗。軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖6所示：

圖6 PH軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流程

3.2 信號采集與處理模塊軟件設(shè)計

PH值信號采集與處理模塊軟件主要負責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換。將A/D轉(zhuǎn)換啟動源選擇外部轉(zhuǎn)換啟動信號，選取P0.3作為ADC的模擬輸入引腳，P0.4作為輸出引腳觸發(fā)CNVSTR的P0.6引腳，當P0.6上升沿后啟動A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換值保存在緩沖數(shù)組databuf[]里面；每當采樣完一定的數(shù)值時，將這些數(shù)值計算成相應(yīng)的電壓值，存在數(shù)組TESTbuf[]里面。其工作流程圖如圖7所示。

3.3 無線收發(fā)模塊軟件設(shè)計

無線收發(fā)模塊軟件設(shè)計 主要由初始化程序（包括初始化C8051F930、Si4432）、無線數(shù)據(jù)發(fā)送程序和無線數(shù)據(jù)接收程序組成。由于無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式 發(fā)送的，初始化程序需要進行C8051F930的初始化配置以及Si4432的無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置；無線發(fā)送程序是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)C8051F930處理后根據(jù)協(xié)議規(guī)則在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入前導(dǎo)碼、同步字、CRC校驗碼等，重新打包通過Si4432發(fā)送出去；無線數(shù)據(jù)接收程序負責(zé)接收并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)，以確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性，然后Si4432則將數(shù)據(jù)正確接收后通過液晶顯示出來，從而實現(xiàn)遠距離的無線通信。該系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質(zhì)量無線數(shù)據(jù)傳輸。無線數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程、無線數(shù)據(jù)接收程序分別如圖8和圖9所示：

圖8 PH無線數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

圖9 PH無線數(shù)據(jù)接收程序流程圖

4 結(jié)論

針對江河流域水資源環(huán)境，本文提出了一種水污染遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可將PH值傳感器節(jié)點布置于江河流域的排放口處，通過超低功耗控制器C8051F930對PH傳感器采集的PH值進行A/D轉(zhuǎn)換，以達到提高系統(tǒng)性能，降低節(jié)點功耗的目的；并且利用支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線射頻收發(fā)模塊Si4432設(shè)計了一個簡單、低成本、高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，對PH數(shù)據(jù)進行收發(fā)和遠程通信；研究表明，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測中心對PH值的遠程監(jiān)測和實時收發(fā)，滿足了高速采集系統(tǒng)的低功耗、可靠性要求。

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