基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁崇亮+亓相濤

摘要：該文設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一款基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心控制模塊采用S3C2440，協(xié)處理器采用stc89c54RD+單片機(jī)，stc89c54RD+單片機(jī)主要功能是輔助核心控制器模塊S3C2440。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計(jì)WiFi、藍(lán)牙、zigBee和GSM等技術(shù)作為輔助備用傳輸。系統(tǒng)核心控制器模塊$3C2440A采用了Al

關(guān)鍵詞：智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；$3C2440；stc89c54RD+單片機(jī)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化的深入，人類賴以生存的水體環(huán)境受到日益嚴(yán)重的危害，對(duì)于水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)日益重要。而隨著水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，再加上為了節(jié)省人力物力成本，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用而生并在某些國(guó)家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。智能水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為信息時(shí)代智能化發(fā)展的產(chǎn)物，其主要表現(xiàn)為利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)將傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)為可以自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的水下智能機(jī)器人。其中這一整套技術(shù)系統(tǒng)則為本文中所設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中將信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)相連接實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)環(huán)境的智能監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過系統(tǒng)終端設(shè)備中的各類傳感器來采集水質(zhì)環(huán)境中的各種信息，同時(shí)運(yùn)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析，以此來達(dá)到對(duì)水質(zhì)環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)。在本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用戶可以使用手持移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遠(yuǎn)近程操控，極大地提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的高效性和便捷性。

1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過系統(tǒng)終端設(shè)備中的各類傳感器來采集水質(zhì)環(huán)境中的各種信息，同時(shí)運(yùn)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析，以此來達(dá)到對(duì)水質(zhì)環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)。同時(shí)，用戶可以通過用戶移動(dòng)終端設(shè)備（如：電腦、手機(jī)等）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)近程操控。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

在待監(jiān)測(cè)的水質(zhì)環(huán)境中各個(gè)需要監(jiān)控的位置安裝智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備通過安裝不同用途的傳感器，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)信息。這些設(shè)備上的傳感器采集到的水質(zhì)信息會(huì)暫時(shí)儲(chǔ)存在微控制器S3C2440中，然后控制器S3C2440芯片對(duì)采集到信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，存放到數(shù)據(jù)傳輸模塊中，最后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上傳到服務(wù)器中。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，然后通過大數(shù)據(jù)這個(gè)平臺(tái)，利用特定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以此來預(yù)估未來某一時(shí)段的水質(zhì)信息，達(dá)到“水質(zhì)早知道”的目的。

用戶可以通過用戶終端設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)和查看水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及查看分析處理后的水質(zhì)信息動(dòng)態(tài)變化圖。同時(shí)，用戶還可以利用用戶終端設(shè)備，來控制設(shè)備在水中的位置，以詳細(xì)的位置信息則會(huì)通過GPRS技術(shù)反饋到用戶終端。

推送報(bào)警功能，用戶可以提前設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)范圍，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)超過這個(gè)推送報(bào)警范圍時(shí)。設(shè)備會(huì)及時(shí)推送報(bào)警，向用戶手機(jī)、電腦等智能終端發(fā)送推送報(bào)警信息和短信通知。

每臺(tái)設(shè)備在水中可以獨(dú)立的監(jiān)測(cè)水質(zhì)，也可以作為一個(gè)水質(zhì)信息采集點(diǎn)，與多臺(tái)設(shè)備利用無線通信技術(shù)，在HTFP、TCP或UDP通信協(xié)議下，形成一個(gè)大的自組織局域網(wǎng)絡(luò)。此設(shè)計(jì)針對(duì)水域較廣的地域，采集不同位置的水質(zhì)信息，綜合分析，是水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息最終結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文所設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，硬件是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有建立完善的硬件結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)才能穩(wěn)定、準(zhǔn)確的運(yùn)行。在本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)一方面可以簡(jiǎn)化其配置、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、提高硬件的質(zhì)量和可靠性；另一方面模塊的不同組合能夠滿足用戶的多樣性需求。

2.1設(shè)備PCB原理圖、電路板模塊設(shè)計(jì)

2.1.1原理圖設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)第一步為原理圖設(shè)計(jì)，其分為兩部分：數(shù)據(jù)處理主控模塊與傳感器采集模塊。具體如圖2，圖3所示。

2.1.2 PCB設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)完成后，依據(jù)原理圖的劃分電路板的制作也分為數(shù)據(jù)處理主控模塊與傳感器采集模塊兩個(gè)部分，具體如圖所示。

具體工作原理：

當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備電量不足時(shí)，它就會(huì)浮出水面，利用太陽能電池板（1）進(jìn)行充電，充電完成后，它會(huì)繼續(xù)下潛回原來的位置進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。電路主控板（3）在潛行水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的中部，它是整臺(tái)設(shè)備的技術(shù)核心，主要控制設(shè)備的正常運(yùn)行工作。傳感器在設(shè)備的最下端，主要來檢測(cè)水質(zhì)信息。根據(jù)不同的用途我們可以裝不同用途的傳感器，對(duì)此我們?cè)O(shè)置了傳感器預(yù)留口，這樣可以增加傳感器數(shù)量，以備根據(jù)不同用途增加不同用途傳感器。

進(jìn)出水孔（5）在潛行水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的底部，設(shè)備下潛時(shí)會(huì)通過進(jìn)水孔進(jìn)水。以增加自身重量來達(dá)到下潛目的。上浮時(shí)，則通過上浮螺旋漿（6）來實(shí)現(xiàn)上浮。上內(nèi)蓋殼和下蓋殼之前的空間為蓄水倉(cāng)（2），這是用來調(diào)整潛行水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀在水中的深度，從進(jìn)水孔（5）進(jìn)來的水會(huì)進(jìn)入蓄水倉(cāng)（2），以增加自身重量來達(dá)到下潛和調(diào)整下潛深度的目的。水平螺旋槳（7）采用異步電機(jī)，用來調(diào)整水平位置，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)能異步轉(zhuǎn)動(dòng)，可以調(diào)整潛行水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀水平移動(dòng)時(shí)的方向

2.2S3C2440微處理器控制模塊

S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核、CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元、存儲(chǔ)器單元以及采用了新的總線架構(gòu)AMBA fAdvanced Microcontroller Bus Architecture）。由于AMBA低功耗、全靜態(tài)、低成本，特別適合于像本文系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的這種小型終端設(shè)備的應(yīng)用。

ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個(gè)都是由具有8字長(zhǎng)的行組成。$3C2440A通過提供一整套完整的系統(tǒng)外設(shè)，降低了整體系統(tǒng)成本。芯片如圖9所示。

2.3傳感器模塊

傳感器模塊作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色，它主要負(fù)責(zé)信息的采集。在本文所設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，它主要負(fù)責(zé)水質(zhì)信息的監(jiān)測(cè)與信息采集。以下是本文所涉及的幾種常用傳感器。

1）溫度傳感器

2）pH值傳感器

3）濁度傳感器

3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，我們將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶端模塊和設(shè)備終端模塊，其中用戶端模塊又分為手機(jī)端和PC端兩個(gè)模塊結(jié)構(gòu)。用戶端與設(shè)備終端主要通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)通訊及數(shù)據(jù)傳輸，多個(gè)設(shè)備終端之間的信息交流則主要通過藍(lán)牙、WiFi、ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊傳輸。系統(tǒng)后臺(tái)可以將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行分析、處理后反饋給用戶端，用戶可以通過用戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，同時(shí)也可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)近程操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備終端的全方位控制。

3.1手機(jī)端模塊軟件設(shè)計(jì)

1）手機(jī)端模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。從上到下共分為四層，分別是用戶界面層、用戶功能層、中間件層和操作系統(tǒng)層。其中中間件層又分為核心功能層和基礎(chǔ)功能層。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖14所示。

2）手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP設(shè)計(jì)界面，如下圖所示，當(dāng)用戶登錄APP后，可后臺(tái)運(yùn)行，多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備可同時(shí)在線，用戶可設(shè)置多種數(shù)據(jù)顯示形式，分析結(jié)果直接在APP顯示。同時(shí)也可提前設(shè)置數(shù)據(jù)警告范圍，當(dāng)超過數(shù)據(jù)警告范圍時(shí)，推送報(bào)警信息會(huì)利用GSM技術(shù)發(fā)送到手機(jī)短信中。用戶還可以直接控制設(shè)備?？刂扑谒械倪\(yùn)行。

3.2PC端模塊軟件設(shè)計(jì)

PC端登錄成功后，PC端模塊會(huì)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備搭建連接，連接成功后，PC端界面會(huì)通過GPRS對(duì)其定位，同時(shí)顯示當(dāng)前已采集的水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息。若用戶要改變終端設(shè)備監(jiān)測(cè)位置，則用戶可以選擇進(jìn)入用戶模式，進(jìn)入用戶模式后就可以直接發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的指令到終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的移動(dòng)。用戶如果不想直接控制，則可以選擇終端設(shè)備模式，開啟終端設(shè)備模式后，程序會(huì)進(jìn)入接收設(shè)備主控模塊指令狀態(tài)，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。PC端模塊的登錄界面以及成功登陸界面如圖19、20所示。

4系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計(jì)WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和GSM等技術(shù)作為輔助備用通信，因考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。本系統(tǒng)暫時(shí)只支持HTTP、TCP和UDP三種通信協(xié)議。

本文系統(tǒng)中的終端設(shè)備主要利用的是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行信息交流，WiFi、藍(lán)牙、GPRS等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為備用通信網(wǎng)絡(luò)。而終端設(shè)備和用戶端之間則利用的是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍(lán)牙、GPRS、GSM網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行通信。其中不管是在微控制器之間還是微控制器和用戶終端之間，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍(lán)牙、GSM網(wǎng)絡(luò)等通信方式都可以隨時(shí)切換，這樣的設(shè)計(jì)保證了通信的穩(wěn)定性。哪種通信方式壞了會(huì)隨時(shí)切換到另一種通信方式。

1）GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，關(guān)于GPRS/GSM系統(tǒng)模塊，我們采用的是SIM300C。它是該系統(tǒng)模塊中的核心模塊，采用小巧外形的的工業(yè)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎可以滿足任何工業(yè)化的需求，尤其是對(duì)小型工業(yè)設(shè)備。同時(shí)，它支持GSM/GPRS900-/1800/1900MHz三頻的低功耗模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以提供高質(zhì)量語音通信服務(wù)、SMS、傳真信息和GPRSClass 10的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該設(shè)計(jì)主要用來實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與用戶端的數(shù)據(jù)傳輸。芯片如圖21所示。

2）WiFi/GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們采用的是一種價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快，基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，WiFi模塊可以與用戶端（手機(jī)端、PC端）互聯(lián)，也可以通過ZigBee協(xié)調(diào)器利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與另一臺(tái)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與用戶終端、WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)互相傳遞。

3）ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種價(jià)格低廉、功耗少、短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線通訊技術(shù)。在本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們采用的是ZigBee（IEE 802.15.4），此設(shè)計(jì)主要用來設(shè)備與設(shè)備之間的短距離無線通訊、數(shù)據(jù)傳輸。

5結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計(jì)WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和GSM等技術(shù)作為輔助設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性，并結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析處理后期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，達(dá)到智能化監(jiān)測(cè)控制效果。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們還采用了模塊化、層次化設(shè)計(jì)方法，使得該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更具有穩(wěn)定性、靈活性和兼容性。最重要的是，用戶可以隨時(shí)通過手機(jī)端、PC端等智能端，遠(yuǎn)程操控水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及時(shí)查看大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這極大地改善了水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的方便性、合理性。大大降低水質(zhì)監(jiān)測(cè)的成本。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)符合當(dāng)前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的發(fā)展方向，適合當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。endprint