基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制及復(fù)雜環(huán)境下在線測試

趙軍　林瀚剛　西熱娜依·白克力

摘要：許多水產(chǎn)養(yǎng)殖基地仍然采用人工監(jiān)管的方法，這種方式存在檢測周期長、實時性差、效率低等缺點。為解決上述問題，基于ZigBee技術(shù)研發(fā)一個用于水質(zhì)檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)傳輸和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建均通過協(xié)議棧的接口函數(shù)（API）實現(xiàn)，配合傳感節(jié)點軟件的使用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與管理，實驗采集的參數(shù)包括水的pH值、溶解氧值和電導(dǎo)率值。由于實地測試環(huán)境惡劣多變，故自主設(shè)計一套系統(tǒng)的PCB結(jié)構(gòu)外觀。通過3個月的實地測試，該套系統(tǒng)可以順利采集各個參數(shù)數(shù)據(jù)，并進行傳輸和處理。通過對采集參數(shù)與實際值對比，傳感器的相對誤差絕對值較小，pH值、溶解氧值和電導(dǎo)率值的相對誤差絕對值分別為0.49%、1.72%和0.23%。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的合理性與準(zhǔn)確性，設(shè)計科學(xué)，工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測；ZigBee技術(shù)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；PCB結(jié)構(gòu)

文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124{2018）05-0067-04

0引言

近年來，隨著人口的快速增長、國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，隨之而來的是生活環(huán)境的惡化、資源的日益枯竭以及自然災(zāi)害的頻發(fā)，這都會對水資源體質(zhì)量以及國民的生產(chǎn)和生活造成巨大的影響。實時檢測水質(zhì)才能很好地實現(xiàn)對水資源的維護。

目前我國現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測管理制度還不夠完善，依然存在工作實效不高、投入成本過高、能源損耗大以及后期維修麻煩等問題。特別在我國許多臨海水產(chǎn)養(yǎng)殖場，解決海水對系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕和惡劣天氣導(dǎo)致的設(shè)施損壞也是一個巨大的考驗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用則正好可以克服這些問題，且具有智能性高、區(qū)域覆蓋面積廣等優(yōu)點，所以，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用日漸受到重視。黃建清利用nRF905射頻芯片實現(xiàn)了參數(shù)的無線傳輸，搭建了一套水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)。郭敏將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS DTU技術(shù)發(fā)送到服務(wù)器，完成了嵌入式終端連接網(wǎng)絡(luò)。

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensornetwork，WSN）的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點，例如：具有較寬的監(jiān)測面積、系統(tǒng)能夠自動構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)成本不高、能高效工作以及對水域的環(huán)境影響小等，容易對大范圍水域進行監(jiān)控。該文運用ZigBee開發(fā)的水質(zhì)監(jiān)測無線傳感系統(tǒng)，設(shè)計軟件方案，實現(xiàn)對水質(zhì)實時監(jiān)測，借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)，收集的樣本可以被送到檢測中心。通過實驗驗證，該系統(tǒng)能夠完成對水質(zhì)數(shù)據(jù)的收集、傳輸和整理。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)遵從標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4和協(xié)議ZigBee2007，系統(tǒng)配備的節(jié)點軟件主要功能是用于實現(xiàn)水質(zhì)的檢測。該套系統(tǒng)的軟件是用協(xié)議棧的接口函數(shù)（API）來做支撐，實現(xiàn)對ZigBee的控制和數(shù)據(jù)的傳輸，軟件的構(gòu)成包括傳感節(jié)點軟件和無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件。通過編譯傳感器節(jié)點程序來完成水質(zhì)參數(shù)的采集，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送與接收則是通過AT指令來控制GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊來實現(xiàn)，最終數(shù)據(jù)將被存儲至云服務(wù)器。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

對于實時采集各參數(shù)的數(shù)據(jù)信息要依靠傳感器軟件節(jié)點來完成，將采集的數(shù)據(jù)信息用多跳的方式通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)到無線網(wǎng)關(guān)。給傳感器節(jié)點上電并初始軟件，軟件會不斷檢測是否有可加入的無線網(wǎng)，節(jié)點會在ZigBee搭建的Mesh無線網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的PanID向協(xié)調(diào)器申請加入網(wǎng)絡(luò)，通過請求后即成為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點。當(dāng)傳感器結(jié)點加入無線網(wǎng)后，定時器就開始工作，此時就會對數(shù)據(jù)進行采集，采集完成的數(shù)據(jù)會被打包成傳輸格式的文件，然后通過網(wǎng)關(guān)進行發(fā)送。組成系統(tǒng)軟件的重要部分——傳感器節(jié)點軟件，該軟件由ZigBee通信、數(shù)據(jù)采集和存儲的處理等構(gòu)成，處理邏輯如圖2所示，系統(tǒng)中所涉及的數(shù)據(jù)采集均由對應(yīng)的pH傳感器、水溶解氧傳感器和電導(dǎo)率傳感器來完成。

1.2傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點的工作是采集和存儲數(shù)據(jù)，但傳感器采集的只是模擬信號，存儲數(shù)字信號，因此必須設(shè)計硬件電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。先將最初采集的模擬信號送人調(diào)解電路，進行放大、濾波后再將整理過后的模擬信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（這里用到的是CC2530芯片）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理后的數(shù)字量則會由12C總線保存到E²ROM中儲存，同時把數(shù)據(jù)發(fā)送至無線射頻模塊。

電導(dǎo)率、pH值和溶解氧的傳感器則都是通過RS-485信號來進行通信，各傳感器指標(biāo)如表1所示。

1.3無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件和上位機軟件設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計的主要目的是負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、接收通過網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的處理后通過GPRS模塊發(fā)送至上位機。無線網(wǎng)絡(luò)搭建首先給網(wǎng)關(guān)節(jié)點供電并初始化相關(guān)的內(nèi)部協(xié)議棧和外設(shè)，最后再由ZigBee協(xié)調(diào)器來搭建起整個無線網(wǎng)絡(luò)。整個工作流程如圖3所示。

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件由ZigBee協(xié)調(diào)器和處理器構(gòu)成。處理器模塊軟件的功能是使數(shù)據(jù)能通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊進行接收操作，并進行一些簡單的處理，數(shù)據(jù)處理完成后將被發(fā)送到GPRS模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器的作用是構(gòu)建和維護無線網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)建Mesh無線網(wǎng)絡(luò)是借助ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層串口來實現(xiàn)的。它可以實現(xiàn)節(jié)點的入網(wǎng)請求，并為節(jié)點配置一個網(wǎng)絡(luò)地址，該地址長度為16位，接收由整個系統(tǒng)傳輸?shù)母鱾€參數(shù)。

遠(yuǎn)程上位機的參數(shù)管理界面采用C#進行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在界面中的顯示與讀取。利用c#里的serialport控件可以方便地讀取串口中緩存的數(shù)據(jù)。利用ADO.net技術(shù)可以把接收的數(shù)據(jù)保存在MySQL數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)實地測試時的數(shù)據(jù)實時查詢與分析。

2系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于系統(tǒng)測試場地位于沿海地區(qū)，實驗環(huán)境惡劣復(fù)雜，海水對實驗儀器的腐蝕破壞性遠(yuǎn)超淡水水域，加之海域各類污染會加速對實驗儀器的破壞，因此需要對傳感器節(jié)點設(shè)計一套針對性的保護結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)整體外觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)的外殼為球狀，使其不會因為風(fēng)浪導(dǎo)致顛覆或下沉。上半球是透明塑料，有利于太陽能電池的采光和信號的發(fā)射。下半球則使用鋁質(zhì)材料加工以減小海水腐蝕，上、下半球之間用0型圈密封，以保證系統(tǒng)的密封性。球體內(nèi)部放置固定了電池和PCB板的電木板。球體底部開了小孔，便于防水插件接入傳感器。在整個球體底部懸掛重物來保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定避免側(cè)翻。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有方便移動、構(gòu)造簡單、信號發(fā)送穩(wěn)定，密封性能佳等優(yōu)點。

3系統(tǒng)實地在線測試

為了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，在寧波的水產(chǎn)品養(yǎng)殖場進行了實地測試，測試時間為3個月。由于測試季節(jié)為夏季，海域環(huán)境復(fù)雜多變，在承受海水腐蝕、多次臺風(fēng)等惡劣的環(huán)境影響下，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的各個節(jié)點都能保持長時間正常、穩(wěn)定工作。實驗過程中的網(wǎng)絡(luò)平均丟包率如表2所示。利用OMEGA公司提供的PHH222型pH計、DOH-SD1型溶解氧測量儀和CDH221型電導(dǎo)率檢測儀分別對比驗證了對應(yīng)的系統(tǒng)獲取的各參數(shù)值，并分析了其相對誤差絕對值，其結(jié)果分別如表2和表3所示。

可以對比得出，該系統(tǒng)平均的網(wǎng)絡(luò)丟包率是0.18%，pH傳感器的相對誤差絕對值是0.49%，溶解氧和電導(dǎo)率傳感器的相對誤差絕對值分別是1.72%與0.23%。本次實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地進行穩(wěn)定的工作，且可以取代目前的人工管理模式，具有良好的發(fā)展前景。

4結(jié)束語

本文實現(xiàn)了關(guān)于zigBee的水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并編寫了整套系統(tǒng)的硬件和軟件，在實際的使用中有較強的實用性，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定。該系統(tǒng)已達到預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)，無重大問題發(fā)生，且具有較大的市場競爭優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。目前該系統(tǒng)的設(shè)計仍存在一些缺點，基于現(xiàn)有研究，將繼續(xù)對系統(tǒng)用戶終端控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及APP開發(fā)等做出進一步的完善和擴展。

（編輯：李妮）