基于WSN的城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)?

齊　華，蘇東閣，劉　軍

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021；2.武警工程學(xué)院通信工程系，西安710086）

基于WSN的城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)?

齊華1，蘇東閣1，劉軍2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021；2.武警工程學(xué)院通信工程系，西安710086）

城市水資源的污染已成為我國最為嚴(yán)重的環(huán)境資源問題之一，它嚴(yán)重影響了人民的生產(chǎn)生活與身體健康，制約了我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。為了解決傳統(tǒng)城市水資源監(jiān)測(cè)手段的不足，提出了一種基于WSN的城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了面向城市水資源監(jiān)測(cè)的WSN監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件部分。該節(jié)點(diǎn)硬件部分采用集成MCU＋射頻收發(fā)芯片的SOC設(shè)計(jì)方案，選取CC2530射頻芯片和CC2591作為其微處理器和無線通信模塊，使其能對(duì)多種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集并上傳到監(jiān)控中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，可準(zhǔn)確對(duì)被測(cè)水域水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；城市水資源監(jiān)測(cè)；嵌入式；傳感器；CC2530技術(shù)；CC2591技術(shù)；ZigBee技術(shù)

1　引　言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由部署在待測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通訊方式形成一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)內(nèi)使觀察者感興趣的那些感知對(duì)象的各種信息［1］。WSN綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、無線通訊、分布式信息處理等技術(shù)，具有快速構(gòu)建、自配置、自調(diào)整拓?fù)?、多跳路由、高密度、?jié)點(diǎn)數(shù)可變、無統(tǒng)一地址、無線通信等特點(diǎn)，特別適用于大范圍、偏遠(yuǎn)距離、危險(xiǎn)環(huán)境等條件下的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、衛(wèi)生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域［2］。城市水資源監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)水質(zhì)的PH值、溫度、導(dǎo)電率、溶解氧、濁度、化學(xué)耗氧量（COD）、生化耗氧量（BOD）等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)這些參數(shù)的綜合考察從而判斷水質(zhì)是否被污染，進(jìn)而采取相應(yīng)的防治措施［3］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，具有巨大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。本研究設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠采集溫度、PH值等數(shù)據(jù)，并能由無線收發(fā)器發(fā)給相鄰節(jié)點(diǎn)或通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1，系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由分布在被測(cè)水域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集用戶所需的水質(zhì)參數(shù)（如溫度、PH值、濁度、溶解氧、氨氮等），通過ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理得到被測(cè)水域各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的采樣數(shù)據(jù)，并通過GPRS傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，解析后以圖形界面形式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫以便日后查詢［4］。

圖1　城市水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及器件選型

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸以及與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力。因此，節(jié)點(diǎn)一般可以按照功能劃分為四個(gè)部分，分別是電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊［5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件組成如圖2所示。

圖2　節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2.2器件選型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為小型嵌入式系統(tǒng)，要具有一定的數(shù)據(jù)、任務(wù)處理功能，同時(shí)具有低功耗、低成本、易于開發(fā)的特點(diǎn)，所以在器件選型時(shí)必須謹(jǐn)慎選擇。

2.2.1處理器與射頻芯片選型

處理器的選型要求和指標(biāo)是功耗低，保證長時(shí)間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5V，有較快的處理速度和能力，由于節(jié)點(diǎn)需要大量安置，所以價(jià)格也要相對(duì)便宜。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2530芯片外加低功耗射頻前端CC2591，用來放大輸出功率，大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。能量供應(yīng)模塊采用2節(jié)可充電干電池，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)提供能量。CC2530是本次設(shè)計(jì)的核心，它的性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)而言非常關(guān)鍵。它結(jié)合了高性能的2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530在單個(gè)芯片上集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的RF無線電收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性，四種工作模式，具有32KB／64KB／128KB／256KB的可編程FLASH和8KB的RAM，集成了8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC，看門狗定時(shí)器、32KHz晶振的休眠模式定時(shí)器，及1個(gè)符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器，2個(gè)USART接口，21個(gè)可編程I／O引腳。硬件支持CSMA／CA功能，允許工作電壓（2.0V～3.6V），具有數(shù)字化RSSI／LQ支持和強(qiáng)大的DMA功能，具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。CC2530具有從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性，能耗特小，特別適合那些要求電池壽命非常長的野外使用。

CC2591是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF前端，集成了開關(guān)，電感器，平衡／不平衡網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)，匹配網(wǎng)絡(luò)，PA功率放大器等功能。可將輸出功率提高＋22dBm，接收靈敏度提高＋6dB。CC2591可與TI公司的所有2.4GHzRF收發(fā)器、發(fā)送器和SoC連接，大大改善了RF性能，實(shí)現(xiàn)用極少的外圍電路實(shí)現(xiàn)高輸出功率。

2.2.2天線選型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間無線通信信號(hào)的收發(fā)功能是通過天線實(shí)現(xiàn)的。天線主要起到變換器的作用，它將導(dǎo)線上傳送的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為電磁波，從而可以讓信號(hào)在自由空間中傳播，同時(shí)，它也能進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，用于信號(hào)的接收。在面向城市水資源監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)天線在傳輸距離，方向性等性能指標(biāo)上有以下幾方面要求：

（1）天線相對(duì)來說體積較小，連接和安裝比較簡單方便；

（2）在天線垂直放置過程中，天線的傳輸方向范圍能夠360°傳輸；

（3）天線具有較高的增益，天線駐波比小于2，滿足200米以內(nèi)的通信需求；

為了使城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高質(zhì)量和穩(wěn)定的通信性能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選取的是棒狀天線。

2.2.3傳感器選型

（1）水溫度傳感器采用Dallas公司推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。只需單線接口，電路簡單不需要AD轉(zhuǎn)換器件和其它外圍電路，縮小了節(jié)點(diǎn)體積，提高了節(jié)點(diǎn)的可靠性。

（2）PH值傳感器選擇的是P026W3型PH傳感器，該傳感器在玻璃感應(yīng)電極頭延長出一個(gè)凍膠體，凍膠填充的參考半電化池是密封的，無需重充電解質(zhì)，可用于城市水資源監(jiān)測(cè)中，維護(hù)簡單，工作壽命長。

（3）溶解氧傳感器選用美國GLOBALWATER公司的W Q401型溶解氧傳感器，它是一款堅(jiān)固耐用、值得信賴的溶解氧測(cè)量傳感器，具有線性的4－20mA信號(hào)輸出，采用三線配置，使用海洋級(jí)環(huán)氧樹脂將電子單元完全封裝在不銹鋼外殼內(nèi)。溶解氧傳感器選用可拆卸的電極防護(hù)罩和可更換的溶解氧電極［6］。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)處理與傳輸單元

CC2530最基本的電路包括電源與晶振，其中電源包括數(shù)字電源DVDD、模擬電源AVDD、數(shù)字內(nèi)核電源DCOUPL，這里數(shù)字電源和模擬電源用同一個(gè)電源VDD3.3V，并在電源上加了相應(yīng)的瓷片電容，增強(qiáng)濾波和去耦性能。CC2530微處理器主晶振需要32M的頻率，以供內(nèi)部51內(nèi)核工作，睡眠狀態(tài)下則由32.768KHz的晶振來提供時(shí)鐘。本節(jié)點(diǎn)采用CC2530F256芯片外接CC2591功放模塊組成。CC2530處理器先把采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理，通過CC2591功放芯片發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳相應(yīng)連接到CC2530的I／O端口P1_1，P1_4，P0_7，由單片機(jī)來控制。當(dāng)HGM為高電平，表示CC2591接收數(shù)據(jù)時(shí)，LNA是高增益模式；當(dāng)HGM為低電平，表示CC2591接收數(shù)據(jù)，LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時(shí)置為高電平，當(dāng)其進(jìn)入低功耗模式時(shí)，將其置為低電平，這樣可以降低功耗［7］。該電路中選用的是棒狀天線，其載頻為2.4GHz，電路整個(gè)設(shè)計(jì)滿足RF輸入／輸出匹配電阻（50Ω）的要求。其CC2530與CC2591硬件設(shè)計(jì)的主要部分連接原理如圖3和圖4所示。

3.2數(shù)據(jù)采集單元

3.2.1水溫傳感器電路

水溫傳感器DS18B20支持?jǐn)?shù)據(jù)線供電方式（即寄生電源供電方式），此時(shí)VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量來完成溫度轉(zhuǎn)換，但是該方式完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長。所以本系統(tǒng)采用外接電源供電方式，該方式穩(wěn)定可靠，測(cè)量速度較快，為了保證其測(cè)量精度，我們給其外接5V電壓以滿足本系統(tǒng)水溫0.5攝氏度的采集精度。為了實(shí)現(xiàn)DS18B20高電平輸出，需在IO口連接一個(gè)4.7千歐的上拉電阻，數(shù)據(jù)線DQ與CC2530的P0_7腳相連，通過燒入CC2530的程序就能讀出DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)。溫度傳感器電路圖如圖5所示。

3.2.2PH值傳感器

本課題PH值傳感器選擇的是P026W3型PH傳感器，如圖6所示為其信號(hào)調(diào)理電路。P4為PH電極接口，信號(hào)輸出后進(jìn)入電壓跟隨器，電壓跟隨器主要起到隔離和阻抗轉(zhuǎn)換的作用，R13、R14的阻值均為10兆歐，C28、C29為濾波電容。輸出信號(hào)取R13與R14之間的電壓值。設(shè)PH電極輸入電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，與CC2530的P0.6相連，與PH值仍然呈線性關(guān)系。PH電極產(chǎn)生的電壓Vin為0V－1.4V之間，在PH為7的溶液中，PH電極產(chǎn)生一個(gè)0.7V的電壓，PH值每增加1，電壓增加0.1V，PH值每減少1，電壓降低0.1V，輸出信號(hào)Vout范圍在2.05V－2.75V之間。通過電路分析可知，Vout與Vin間的關(guān)系式如式（1）所示。PH值為0時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出端電壓Vout為2.05V，PH值為14對(duì)應(yīng)的輸出端電壓Vout為2.75V。由于PH值與輸出電壓值呈線性關(guān)系，通過列方程可得PH值與輸出電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示。

其中K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，K=20，單位為1／V，b= 41，通過上式就可以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的0至14間的PH值。

圖3　CC2530主要原理圖

圖4　CC2591主要原理圖

圖5　溫度采集電路

3.3電源單元

電源模塊為其他模塊提供工作能源，考慮到節(jié)點(diǎn)布置于野外，供電不方便，因此選用移動(dòng)電池組供電，提供5V直流電壓，CC2530若要正常工作，需要3.3V供電電源，這就需要對(duì)電源輸出的電壓進(jìn)行DC／DC降壓處理。穩(wěn)壓芯片選取的是ASM1117芯片，其內(nèi)部集成有過熱保護(hù)和限流電路，精度為1%，將電池組送出的5V電壓轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)正常工作所需要的3.3V電壓［8］，電路如圖7所示。

圖6　PH傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖7　電壓轉(zhuǎn)換電路

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍及穩(wěn)定性，將溫度、PH值、溶解氧傳感器分別連接至節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)端口，先通過串口調(diào)試助手測(cè)試數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送情況，在數(shù)據(jù)發(fā)送接收正常的情況下，設(shè)置無障礙實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測(cè)得點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊距離可達(dá)300m以上。同時(shí)構(gòu)建最簡單的星型網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相距300m，每發(fā)送完1次數(shù)據(jù)后，便進(jìn)入休眠狀態(tài)，5min后恢復(fù)，再次發(fā)送數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)2h。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)顯示接收到的數(shù)據(jù)信息并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口上傳到PC機(jī)中。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)傳輸過程沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確，表明系統(tǒng)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。為測(cè)試節(jié)點(diǎn)功能的準(zhǔn)確性，我們模擬實(shí)驗(yàn)室水環(huán)境對(duì)水溫，PH值和溶解氧進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行水溫采集測(cè)試時(shí)，我們?nèi)∫粋€(gè)溫度計(jì)來對(duì)水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試；在進(jìn)行PH測(cè)量時(shí)選取一個(gè)便攜式的PH值測(cè)量儀用來在測(cè)試過程中對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)水溫采集的均值誤差均小于0.5，對(duì)PH值采集的均值誤差均小于0.05，溶解氧的測(cè)量精度達(dá)到0.5%滿量程，具備了較高的采集精度，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源模塊的研究，設(shè)計(jì)了一種以CC2530為主體的硬件方案，利用該方案設(shè)計(jì)了CC2530的外圍電路。此外，還對(duì)傳感器與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的硬件節(jié)點(diǎn)達(dá)到了項(xiàng)目要求，經(jīng)調(diào)試能通過傳感器真實(shí)地采集數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)在300m左右的通信和傳輸數(shù)據(jù)，并上傳到監(jiān)測(cè)中心。

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Design of Node Hardware of Urban Water Resources Monitoring system Based on WSN

Qi Hua1，Su Dongge1，Liu Jun2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi＇an Technological University，Xi＇an 710021，China；2.Dept.of Communications Engineering，China Engineering College of Armed Police Force，Xi＇an 710086，China）

The pollution of urban water resources has become one of the most serious resources and environment problems in our country，it not only affected the people＇s production，daily life and health seriously，also restricted the sustainable development of our country＇s economy.Thus，an automatic，intelligent and networking urban water resource monitoring system，based on WSN，is designed to improve monitoring of urban water resources.The hardware of WSN monitoring node in city water resource monitoring nodes，employing SOC design of the integration of MCU and RF transceiver chip and using the CC2530 RF chip and CC2591 as the microprocessor and wireless communication module，is put forward in this paper.A variety of water quality parameters are collected and uploaded to the monitoring center.The experimental results show that the nodes run stably and the water quality parameters can be accurate real－time acquired.

Wireless sensor network；Urban water resources monitoring；The embedded；Sensor；CC2530 technology；CC2591 technology；ZigBee technology

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.022

TN98

A

1002－2279（2016）01－0087－05

?陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014K05－19）

齊華（1963－），女，陜西省咸陽市人，教授，研究生導(dǎo)師，主研方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸、信息處理、信息編碼理論、電

磁兼容技術(shù)等研究和應(yīng)用工作。

蘇東閣（1987－），男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，主研方向：通信與電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2015－04－27