無(wú)線水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)布線難、維護(hù)成本高等難題，結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文提出了一種新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢查水質(zhì)參數(shù)，無(wú)線通信技術(shù)選擇ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)不僅具有距離近、復(fù)雜度低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、成本低及可靠性高的特點(diǎn)，并且自有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，可以使用接力的方式在多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，充分滿足了無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要。

關(guān)鍵詞：無(wú)線水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：X84；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）09-0063-03

Abstract：A new water quality monitoring system for water quality monitoring wireless sensor network based on ZigBee is proposed in this paper，in view of the difficult problem of wiring difficult and high maintenance cost of the traditional water quality real-time detection system. The sensor nodes in the field are responsible for checking the water quality parameters，and the wireless communication technology chooses the ZigBee technology. The ZigBee technology not only has the characteristics of close distance，low complexity，strong networking ability，low cost and high reliability，and has its own wireless communication standard. It can be coordinated with each other by means of relay. Communication fully meets the needs of wireless water quality monitoring.

Keywords：wireless water quality real-time monitoring；wireless sensor network；ZigBee

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。近幾年發(fā)生的水污染事件使人們對(duì)水環(huán)境的保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越重視，所以合理利用水資源和防止水環(huán)境的污染顯得格外重要，這也給我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法由于操作復(fù)雜度高、成本高、實(shí)時(shí)性差，以及具有偶然性等缺點(diǎn)，很難大范圍地普及，不能準(zhǔn)確反映整個(gè)水體水質(zhì)的變化過(guò)程，因此，需要一種新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)輔助傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

2 水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是五水共治工作的重要組成部分，是檢驗(yàn)工作成果的基礎(chǔ)和技術(shù)支持。水質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制在我國(guó)還未普及，但歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面已趨向成熟，如美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，幾乎在重要水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都安裝了有關(guān)監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)水處理設(shè)施的運(yùn)行情況以及排水流量、PH值、DO、電導(dǎo)、濁度、溫度和余氯等值進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，在監(jiān)控中心可以隨時(shí)獲悉相關(guān)水質(zhì)情況。本次研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行了充分的調(diào)研、考察、征詢(xún)客戶意見(jiàn)等的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)了集自動(dòng)化、即時(shí)化、智能化于一體的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基于ZigBee的無(wú)線水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且考慮到傳感器的位置不同，采集的水質(zhì)指標(biāo)也會(huì)有不同的變化，因此，傳感器將成垂直排列，這樣就可以建立湖泊、河流等水質(zhì)的立體水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近幾年來(lái)，全球通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是近兩三年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展速度與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超過(guò)了固定通信技術(shù)，呈現(xiàn)如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)。其中ZigBee技術(shù)成本低、功耗低，受到工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)的青睞。

ZigBee是一個(gè)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的短距離無(wú)線技術(shù)規(guī)范，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照通信功能可以分為：全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成必須由FFD率先擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器進(jìn)行掃描搜索，并以發(fā)現(xiàn)一個(gè)沒(méi)有用的最佳信道來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)，再讓其他的FFD或是RFD加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而且需要注意的是RFD只能與FFD連接，而事實(shí)上人們可以根據(jù)裝置在網(wǎng)絡(luò)中的角色和功能，預(yù)先將裝置編好程序，如協(xié)調(diào)器的功能是通過(guò)掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的信道來(lái)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，路由器的功能是通過(guò)掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)激活的信道，并將其連接，然后讓其他裝置連接，而末端裝置的功能是試圖連接到一個(gè)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee可以構(gòu)建星型、樹(shù)型和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)。如圖1所示。

無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，需要組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況將水域分為多個(gè)維度或是多個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)域，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由于本系統(tǒng)為垂直設(shè)計(jì)，放置不同深度節(jié)點(diǎn)的傳感器群，由路由器管理三個(gè)及以上節(jié)點(diǎn)，以星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 系統(tǒng)功能及總體設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的綜合監(jiān)測(cè)和水污染早期預(yù)警的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，傳感器完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水體信息的采集，在每一個(gè)深度位置將采用三個(gè)傳感器（溫度傳感器、PH傳感器和電導(dǎo)率傳感器）對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行采樣，一般通過(guò)穩(wěn)定的持續(xù)電源供電，將測(cè)得的相關(guān)參數(shù)沿?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)等外部網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)傳給終端大屏幕，工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)或者遠(yuǎn)程觀測(cè)屏幕進(jìn)行水質(zhì)的監(jiān)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便實(shí)時(shí)查看、管理、配置傳感器網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)元器件的選擇

本文中的無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊以及其他外圍設(shè)備模塊。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要采集各類(lèi)水質(zhì)信息，通過(guò)無(wú)線通信模塊接收信息，并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)總體硬件示意圖如圖4所示。

4.2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

（1）電導(dǎo)率傳感器。選用DJS-1型鉑黑電導(dǎo)電極傳感器，鉑黑電極殼能有效防止在測(cè)定較高電導(dǎo)溶液時(shí)出現(xiàn)地極化現(xiàn)象，可對(duì)常規(guī)水體電導(dǎo)率進(jìn)行精確測(cè)量，測(cè)量電導(dǎo)率時(shí)需要在兩極端加交流激勵(lì)信號(hào)，將電導(dǎo)電極浸入待測(cè)水體中測(cè)量?jī)蓸O端之間的電壓及回路電流，即可計(jì)算出測(cè)量水體電導(dǎo)率，為了便于芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與處理，還涉及交直流轉(zhuǎn)換。

（2）溫度傳感器。選用DS8B20溫度傳感器，該傳感器能適應(yīng)復(fù)雜的溫度測(cè)量環(huán)境，適應(yīng)的電壓范圍廣。其主要特點(diǎn)是DS18B20在使用時(shí)不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。DS8B20溫度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線直接與CC2530芯片連接，即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

（3）PH值傳感器。選用E-201-C型PH復(fù)合電極測(cè)量PH值。該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PH電極，電極為可充式且抗干擾能力強(qiáng)。該電極浸入溶液后，玻璃膜外側(cè)與待測(cè)PH溶液的相界面上要發(fā)生離子交換。玻璃指示電極與參比電極組成的原電池電動(dòng)勢(shì)最終通過(guò)導(dǎo)線由電表顯示，由此測(cè)出水體PH值。E-201-C型PH復(fù)合電極在測(cè)量時(shí)，溫度控制在0～60攝氏度，響應(yīng)時(shí)間小于2分鐘。

4.2.2 電源模塊及其他外圍設(shè)備模塊

系統(tǒng)采用可靠性較高的電池為系統(tǒng)供電，包含顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊。顯示模塊由一塊LED屏幕顯示器構(gòu)成，與ZigBee芯片通過(guò)無(wú)線連接，接收芯片發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)，并提供可視化的用戶界面，便于觀察與分析。

5 結(jié) 論

本文提出基于ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案，它充分考慮了系統(tǒng)的需要。傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的應(yīng)用型技術(shù)，將其應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，為解決日益嚴(yán)重的水質(zhì)污染或污水排放的監(jiān)測(cè)等提供了技術(shù)支持。本文對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)選擇、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信兩個(gè)方面進(jìn)行了分析、介紹，分析了幾種重要的水質(zhì)檢測(cè)參數(shù)、傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。能耗低、抗干擾、可擴(kuò)展的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)是進(jìn)一步研究的方向和熱點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：羅興浩（1998-），男，漢族，學(xué)士。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)；通訊作者：趙盛萍（1988.02-），女，漢族，助教，碩士。研究方向：系統(tǒng)仿真與建模、物聯(lián)網(wǎng)。