基于Zigbee和GPRS的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

周皓東， 黃 燕， 劉 煒

(江西省科學(xué)院，江西 南昌 330029)

基于Zigbee和GPRS的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

周皓東， 黃 燕， 劉 煒

(江西省科學(xué)院，江西 南昌 330029)

針對無線化的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)耗能大、電池壽命短的問題，設(shè)計了基于Zigbee和GPRS的節(jié)能型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過采用低功耗器件，在電源與傳感器、信號調(diào)理電路之間添加選通芯片ADG1414控制各模塊分時分區(qū)工作，減少各模塊的供電時間來降低硬件能耗；通過設(shè)置閾值對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)送，減少數(shù)據(jù)發(fā)送量，從而減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送能耗。以 CC2530為核心構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集到的溫度、pH、溶氧等水質(zhì)參數(shù)傳輸至監(jiān)測中心，構(gòu)建實時監(jiān)測平臺，并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測。系統(tǒng)測試與實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，能有效延長無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)電池的工作時間。

Zigbee；GPRS；水質(zhì)監(jiān)控；節(jié)能；水產(chǎn)養(yǎng)殖

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，水域養(yǎng)殖環(huán)境呈現(xiàn)一定程度的惡化，漁業(yè)養(yǎng)殖中大面積的魚蝦死亡事件時有發(fā)生，給養(yǎng)殖戶帶來極大的損失[1-4]。對養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測，有助于及時了解養(yǎng)殖對象的生活環(huán)境，在出現(xiàn)問題時可及時采取相應(yīng)措施[5-7]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年來在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多[8-12]。Zigbee技術(shù)是其中一種常用的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點[13-17]，在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。但無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般采用電池供電，電池電量有限[18-19]，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各模塊長期處于工作狀態(tài)耗能較多，同時，傳感網(wǎng)絡(luò)和管理機(jī)之間定時發(fā)送數(shù)據(jù)耗電也較多。在多數(shù)情況下，水質(zhì)變化較為緩慢，對水質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取無需太過頻繁，當(dāng)水質(zhì)變動達(dá)到一定程度后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將會大大減少發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，從而降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電池能耗，延長電池壽命。

本文基于Zigbee技術(shù)與GPRS/CDMA，構(gòu)建節(jié)能型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。通過采用低功耗器件，利用選通芯片控制各模塊分時分區(qū)工作，設(shè)置數(shù)據(jù)變動閾值，減少無效數(shù)據(jù)的發(fā)送量，使系統(tǒng)更加智能與節(jié)能，同時實現(xiàn)對溫度、pH、溶氧等水質(zhì)參數(shù)的實時采集與監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、服務(wù)器及顯示屏構(gòu)成(圖1)。環(huán)境監(jiān)測區(qū)域為由終端節(jié)點和路由節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。采用Zigbee通訊技術(shù)，終端節(jié)點為采集各個參數(shù)的傳感器，該節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，各個路由節(jié)點及唯一的匯聚節(jié)點形成網(wǎng)狀自組織網(wǎng)絡(luò)，以多跳的形式將信號發(fā)送給匯聚節(jié)點。該節(jié)點處于環(huán)境監(jiān)測區(qū)域旁的本地監(jiān)測區(qū)域，距離滿足要求，該節(jié)點的地址為0x0001，匯聚節(jié)點通過RS232將匯集的數(shù)據(jù)發(fā)送至本地監(jiān)測中心。本地監(jiān)測中心的服務(wù)器及顯示屏可顯示所檢測到的情況，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過RS232將匯聚節(jié)點與TC35i連接，實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信接口之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手機(jī)，使用戶對水質(zhì)的了解更便捷。同時也開發(fā)了用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的網(wǎng)站，用于在電腦上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

為實現(xiàn)無線化，在環(huán)境監(jiān)測區(qū)域通常避免使用市電供電，所以采用電池供電?？紤]到系統(tǒng)維持生命周期長度與系統(tǒng)能耗成反比，因此需要盡量選擇體積小、容量大的電池，并盡量減少各個模塊能量的消耗。針對減少各模塊能量消耗問題進(jìn)行研究。

假設(shè)單位節(jié)點電源能量初始值為E，單位時間內(nèi)該節(jié)點消耗的能量為Et，根據(jù)本文方案，單位節(jié)點的電池續(xù)航時間：

T=E/Et

(1)

Et=Esend+Er+Esensor+ECPU+Ecost

(2)

式中：Et包括單位時間內(nèi)節(jié)點發(fā)送信號的能量Esend，節(jié)點接收信號所需的能量Er，傳感器采集信號及信號調(diào)理電路所需的能量Esensor，處理器處理數(shù)據(jù)所需的能量ECPU，以及未計算在內(nèi)的能量損耗Ecost。要使T盡可能大，在E固定的情況下，需減小Et值。

由于終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)僅為路由節(jié)點或匯聚節(jié)點定時發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接確認(rèn)信息，所以Er基本為固定值，Ecost也可認(rèn)為是固定值。在傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點采集/處理/發(fā)送信號是間歇性的，不需要一直處于工作狀態(tài)，因此可以通過控制其工作時間來節(jié)約能量。

設(shè)溫度、溶氧、pH傳感器、CPU工作時功率分別為P1、P2、P3、P4，休眠時分別為Pb1、Pb2、Pb3、Pb4，路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時功率為P5，休眠時功率為Pb5，則Et可表示為：

(3)

式中，a為各模塊工作的占空比，δE為無法進(jìn)行管理的能量損耗，經(jīng)整理，Et又可寫成：

(4)

則電池的續(xù)航時間為：

(5)

式中：Pi和Pbi在選定硬件后即為固定值，且Pi?Pbi≈0 ，所以式中只有a為可以改變的值，且從式(5)可以看到，越小T越大，因此，應(yīng)當(dāng)在保證數(shù)據(jù)有效發(fā)送的情況下盡量減少各模塊的工作時間。具體措施應(yīng)當(dāng)從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行優(yōu)化，硬件方面設(shè)法控制各個模塊的電源供應(yīng)時間，軟件方面設(shè)法減少各個節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括終端節(jié)點、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點。終端節(jié)點由相應(yīng)傳感器、信號調(diào)理電路及處理器組成，路由節(jié)點由與終端節(jié)點一樣的處理器構(gòu)成。匯聚節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點在本地監(jiān)測中心，使用市電供電并無不便之處。因此，本文主要討論終端節(jié)點的節(jié)能。

終端節(jié)點由各個傳感器負(fù)責(zé)采集信號。溫度傳感器采用美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器；pH傳感器采用雷磁E-201-C型pH復(fù)合電極；溶氧傳感器采用雷磁DO-955溶氧電極。AD轉(zhuǎn)換采用CC2530內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)置12位的分辨率，該模塊有7個AD轉(zhuǎn)換通道，完全滿足信號輸入要求。

CC2530為終端節(jié)點、路由節(jié)點以及匯聚節(jié)點的主控芯片，是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它具有不同的運(yùn)行模式，使其滿足較低功耗條件；其系統(tǒng)內(nèi)有8KB RAM，以及可編程32/64/128/256KB的閃存，使得收發(fā)數(shù)據(jù)容量得到保證；21個通用I/O口可連接各個傳感器，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)[20]。

2.2 硬件節(jié)能技術(shù)

為使系統(tǒng)更加節(jié)能，傳感器、信號調(diào)理電路、處理器等硬件選用低功耗器件，并且在電源與傳感器、信號調(diào)理電路之間添加選通芯片ADG1414，該芯片能控制各模塊分時分區(qū)工作(圖2)。

圖2 電源控制模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

首先需對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在模塊上電后，對外部時鐘、無線寄存器、通信接口等外部硬件電路進(jìn)行初始化；其次ZigBee網(wǎng)絡(luò)是以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，因此需初始化協(xié)議棧；再次是需搜索是否有可用的信道，若有，則選擇最近的信道加入，若無，則繼續(xù)搜索。在此，為了節(jié)約電量，采用周期性發(fā)送的機(jī)制，每隔一個固定時間，節(jié)點被喚醒，開啟無線通信功能，發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，其它時間處于休眠狀態(tài)，從而達(dá)到既有效發(fā)送數(shù)據(jù)，又節(jié)約電量的效果。

路由節(jié)點主要是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及數(shù)據(jù)收發(fā)。在路由節(jié)點上電后，首先對相關(guān)硬件及協(xié)議棧進(jìn)行初始化，并對信道進(jìn)行掃描，選擇可用信道，構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，給申請加入信道的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行地址分配，并設(shè)定相應(yīng)路由表以維護(hù)其與終端節(jié)點的關(guān)系，一旦接收到數(shù)據(jù)，立刻將其轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3.2 GSM通信驅(qū)動程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由GSM模塊組成，終端節(jié)點通過RS232與GSM模塊相連，首先由CC2530向TC35i發(fā)送相應(yīng)的AT指令以進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試。這包括對波特率(9 600 bit/s)、禁止指令寫回及工作模式進(jìn)行設(shè)定，并通過發(fā)送AT+CMGS=N指令以設(shè)定短消息長度。本設(shè)計采用PUD模式的發(fā)送協(xié)議，相較文本格式，其支持任何形式的編碼，且不需預(yù)置編碼選項。最后，數(shù)據(jù)包通過RS232發(fā)送給TC35i，并寫指令(0X1A)以啟動TC35i發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 軟件節(jié)能技術(shù)

大家現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)獨立了嗎？沒有。大家的經(jīng)濟(jì)來源是父母。父母省吃儉用，把我們送到學(xué)校來讀書、學(xué)習(xí)，為走向社會奠定基礎(chǔ)。我們能不能拿著父母的血汗錢，為我們還在高一的所謂愛情買單？那么，同學(xué)們，請問：現(xiàn)在的你們適合戀愛嗎？

有研究表明，無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)所需能量比處理數(shù)據(jù)所需能量大得多，一條數(shù)據(jù)傳輸100 m所耗能量可執(zhí)行300條數(shù)據(jù)處理命令[21]。因此，減少數(shù)據(jù)的傳輸量，取而代之的是處理器對信號的處理，將有用的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，無意義的數(shù)據(jù)不發(fā)送，從而達(dá)到節(jié)能效果。

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境一般情況下水質(zhì)情況都比較正常，若將正常數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測區(qū)，不僅浪費能量，而且浪費內(nèi)存。因此，本系統(tǒng)利用節(jié)點處理器的處理信號能力以及存儲能力，將采集到的信號進(jìn)行閾值處理，符合正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)送，若數(shù)據(jù)超出正常范圍，則將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過這種方法，可以減少數(shù)據(jù)發(fā)送，以減少電池能量的消耗。

以采集數(shù)據(jù)的相對變化率作為閾值設(shè)置依據(jù)，當(dāng)本次采集數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)的相對變化率達(dá)到一定值時，啟動發(fā)送。

(6)

式中：Pi—本次采集數(shù)據(jù)；Pi-1—上次采集數(shù)據(jù)。

4 管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)的管理核心為上位機(jī)，因此上位機(jī)管理系統(tǒng)的功能實現(xiàn)是重點，主要需實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)、本地監(jiān)測界面開發(fā)、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)站建立、Web服務(wù)及數(shù)據(jù)庫建立等。上位機(jī)使用Microsoft Visual Studio 2010軟件采用MFC應(yīng)用程序框架進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存放及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。當(dāng)監(jiān)控人員登陸界面查找相關(guān)資料時，系統(tǒng)可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，并可遠(yuǎn)程登陸查看監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件框圖

數(shù)據(jù)處理模塊對串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，在本地監(jiān)測中心查看信息時，該模塊從數(shù)據(jù)庫讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊提供遠(yuǎn)程瀏覽器訪問本地服務(wù)器的瀏覽服務(wù)，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測人員通過互聯(lián)網(wǎng)登陸網(wǎng)站查看相應(yīng)信息。數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊與數(shù)據(jù)庫之間的交互工作，在此采用SQLServer2000對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計。

5 系統(tǒng)試驗與測試

在實驗室對該水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能試驗。將燒杯加水模擬水池，每個燒杯中放置2個終端節(jié)點(傳感器組合)，設(shè)置6個燒杯，對應(yīng)12個終端節(jié)點，1個路由節(jié)點，1個匯聚節(jié)點，試驗布局如圖4所示。

圖4 實驗布局圖

每個終端節(jié)點均采用2 200 mAh的9 V鋰電池供電，且其與路由節(jié)點的距離均為1 m，路由節(jié)點與匯聚節(jié)點均不采用電池供電，為使電池電量更快耗盡，每隔10 min采集1次數(shù)據(jù)。

試驗采取4種方案：節(jié)點1、3、5一直工作，并定時發(fā)送所有數(shù)據(jù)；節(jié)點2、4、6一直工作，只定時發(fā)送問題數(shù)據(jù)；節(jié)點7、9、11分時工作，并定時發(fā)送所有數(shù)據(jù)；節(jié)點8、10、12分時工作，只定時發(fā)送問題數(shù)據(jù)。由測試結(jié)果(表2)可以看出，方案1最耗能；方案2可延長電池壽命49.6 h；方案3與方案1相比延長1 105.6 h，接近延長1倍；方案4較方案3減少了部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送，但僅延長壽命5.7 h。因此，為確保數(shù)據(jù)不丟失和程序的簡潔性，綜合考慮，選擇方案3作為最終節(jié)能方案。由于在實驗中，傳感器的采樣周期為10 min，方案3可正常工作94 d。實際系統(tǒng)中，傳感器的采樣周期為30 min，預(yù)計可正常工作280 d左右。

表2 測試結(jié)果

5.2 系統(tǒng)測試

在某水產(chǎn)養(yǎng)殖基地對本設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了測試。試驗時采用方案3，部署了12個終端節(jié)點、4個路由節(jié)點和1個匯聚節(jié)點(圖5)。

圖5 節(jié)點布局圖

其中，1～12為終端節(jié)點，13～16為路由節(jié)點，0為匯聚節(jié)點。電池采用全新的9V鋰電池，傳感器終端每隔30 min對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行1次采樣。測試3個月后將相應(yīng)的電池在實驗室進(jìn)行剩余電量估算，得到各節(jié)點電池的能耗情況(圖6)。

由圖6可知，終端節(jié)點的剩余電量幾乎為總電量的2/3，由此可估計終端節(jié)點可正常工作大約300 d，與之前實驗室所得數(shù)據(jù)基本吻合。路由節(jié)點13、14、15剩余電量約為總電量的3/5，可見轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需能量相對較多。路由節(jié)點16剩余電量為總電量的1/2，所耗能量較多，這是因為其需要負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見，采取節(jié)能策略后的終端節(jié)點可正常工作約300 d，普通路由節(jié)點可工作250 d，若轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù)越重，耗能越多。

圖6 電池能耗測試結(jié)果

6 結(jié)論

以Zigbee為核心構(gòu)建的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對水溫、pH、溶氧等參數(shù)的有效監(jiān)測，通過利用選通芯片控制各模塊的供電時間，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇性的發(fā)送，可大大降低整個無線監(jiān)測系統(tǒng)的能耗。與傳統(tǒng)的傳感器一直工作、數(shù)據(jù)全部發(fā)送模式相比，電池使用時間可延長接近1倍，節(jié)能效果顯著。

□

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Energy-saving design of water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS

ZHOU Haodong, HUANG Yan, LIU Wei

(Jiangxi Academy of Sciences,Nanchang 330029, China)

As to high energy loss and short battery life of wireless water quality monitoring system for aquaculture, energy-saving water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS has been designed. Low power device is used to install gating chip ADG1414 between the power source and the sensor/signal processing circuit to control time-sharing and partitioned operation of each module, and reduce the power supply time of each module to reduce energy consumption of the hardware; a threshold is set to judge the collected data, and data within the range of threshold will not be sent, so that less data is sent and energy consumed by sending system data is reduced. Wireless sensor network centered on CC2530 is built to transmit the temperature, pH, dissolved oxygen and other water quality parameters collected by the sensor to the monitoring center, and real-time monitoring platform is built, based on which data management system is established to realize real-time monitoring of water quality environment for aquaculture. The results of system test and experiment show that the system can save energy effectively and extend the operation time of the battery for wireless water quality monitoring system effectively.

ZigBee; GPRS; water quality monitoring; energy-saving; aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.004

2017-05-04

南昌市科技局對外科技合作項目(2013HZCG009)

周皓東(1975—)，男，碩士，副研究員，研究方向：電子信息及其應(yīng)用。E-mail：zhoudonny@qq.com

TP277

A

1007-9580(2017)04-024-06