基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探討

葛 秋

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

0 引 言

這項(xiàng)工作是在考慮到國內(nèi)受污染的自然水資源的危急情況后開始的。保護(hù)我們的水資源，使其始終在為家庭使用而確定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，這是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。隨著國家通過工業(yè)化取得進(jìn)展，我們的水資源容易受到污染的威脅，特別是工業(yè)活動(dòng)造成的污染。因?yàn)橛捎谌肆?、設(shè)施和設(shè)備成本的限制，當(dāng)局不可能持續(xù)監(jiān)測(cè)水資源的位置。這通常會(huì)導(dǎo)致一種無法處理的情況。因此，具有自主性、低成本、可靠、靈活等特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。在監(jiān)測(cè)任務(wù)中使用自動(dòng)化將減少對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人力的依賴，從而降低成本。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在本項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。文章采用了一種基于ZigBee的高功率傳輸、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。ZigBee是一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，它具有成本低、使用方便、功耗小、傳感器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信可靠等特點(diǎn)[2]。

文章研究的重點(diǎn)是使用多個(gè)傳感器作為檢測(cè)水質(zhì)水平的裝置，作為監(jiān)測(cè)水資源狀況的替代方法。幾個(gè)傳感器能夠連續(xù)讀取一些指示水質(zhì)水平的參數(shù)，如化學(xué)物質(zhì)、電導(dǎo)率、溶解氧、pH值、濁度等，將用于監(jiān)測(cè)整體質(zhì)量水平。由于監(jiān)控計(jì)劃在訪問受限的遠(yuǎn)程區(qū)域進(jìn)行，因此來自傳感器單元的信號(hào)或數(shù)據(jù)隨后將無線傳輸?shù)交颈O(jiān)測(cè)站。

1 相關(guān)工程

考慮到目前數(shù)據(jù)通信用電線電纜存在的通信安裝成本高、傳感器供電成本高等缺點(diǎn)，采用ZigBee對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保護(hù)電纜的鋼管安裝困難，電纜溫度變化導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)失真，影響電纜和傳感器的噪聲等。ZigBee用于短距離通信，而CDMA(碼分多址)基礎(chǔ)設(shè)施用于傳感器之間的長距離通信以及服務(wù)器系統(tǒng)。ZigBee在監(jiān)控系統(tǒng)中的另一個(gè)應(yīng)用見停車管理系統(tǒng)，在這項(xiàng)工作中，ZigBee模塊是基于ATMega128L微處理器和ChipconCC2420收發(fā)器集成電路。該系統(tǒng)被建議用于遠(yuǎn)程服務(wù)，在遠(yuǎn)程服務(wù)中，患者和醫(yī)生之間沒有直接聯(lián)系，并且成為開發(fā)高效遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠提供有關(guān)患者健康狀況的連續(xù)、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的信息。室內(nèi)環(huán)境下的覆蓋性能測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠覆蓋兩個(gè)或三個(gè)房間，具體取決于墻壁厚度和發(fā)射器和接收器的相對(duì)位置，如圖1所示。

圖1 傳感器單元無線傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器單元

傳感器單元由幾個(gè)傳感器組成，用于檢測(cè)指示水質(zhì)的預(yù)定參數(shù)，文章采用了三種類型的傳感器：pH傳感器、溫度傳感器和基于光電晶體管的混濁度傳感器。所有的傳感器都借助電池發(fā)電工作。傳感器感測(cè)到的信息隨后被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過信號(hào)調(diào)節(jié)電路工作，以確保傳感器產(chǎn)生的電壓或電流與被感測(cè)參數(shù)的實(shí)際值成比例，然后它被傳遞到一個(gè)微控制器或微處理器處理它到人類可以理解的值。

本工作中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器單元、具有信號(hào)數(shù)字化、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)的微控制器或微處理器以及用于物理層通信的射頻收發(fā)器(RF)組成。它們共用一個(gè)電池作為電源，下圖2示出了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖。

圖2 基于ZigBee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

模塊中的微控制器可重新編程，無論是作為終端設(shè)備、路由器還是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，作為終端設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)，它只能與路由器或協(xié)調(diào)器通信以傳遞來自傳感器的數(shù)據(jù)。終端設(shè)備只能通過路由器或協(xié)調(diào)器與另一個(gè)終端設(shè)備間接通信，定義為路由器的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從其他路由器或終端設(shè)備路由到協(xié)調(diào)器或靠近協(xié)調(diào)器的其他路由器。路由器也可以像終端設(shè)備一樣作為數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，但在實(shí)際應(yīng)用中，它通常用于擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋距離。監(jiān)視系統(tǒng)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)員。一種協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)要使用的信道，將網(wǎng)絡(luò)地址分配給路由器和終端設(shè)備，并保存在同一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中將數(shù)據(jù)從一個(gè)終端設(shè)備路由到另一個(gè)終端設(shè)備所必需的網(wǎng)絡(luò)路由表。用于監(jiān)控系統(tǒng)的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖如圖3所示。

圖3 用于監(jiān)控系統(tǒng)的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)框圖

2.2 基站監(jiān)測(cè)站

基站由一個(gè)編程為協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊組成，該模塊以無線方式接收從傳感器節(jié)點(diǎn)(終端設(shè)備和路由器)發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于協(xié)調(diào)器需要不斷地從終端設(shè)備接收數(shù)據(jù)，所以它通常由電源供電。從終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)使用rs232協(xié)議發(fā)送到計(jì)算機(jī)，接收到的數(shù)據(jù)使用基礎(chǔ)監(jiān)控站上的內(nèi)置GUI顯示。基站組件框圖如圖4所示。

圖4 基站組件框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

使用Borland C++ Builder編程成功地開發(fā)了GUI平臺(tái)，該程序能夠與基站的硬件(協(xié)調(diào)器)交互。如圖5所示，設(shè)置三個(gè)終端設(shè)備用于連接到協(xié)調(diào)器，其中一個(gè)終端設(shè)備通過路由器連接以進(jìn)一步延長監(jiān)視距離。首先，用戶必須創(chuàng)建從協(xié)調(diào)器到顯示單元的連接，發(fā)現(xiàn)周圍的節(jié)點(diǎn)，并使用屏幕左側(cè)提供的按鈕設(shè)置數(shù)據(jù)輪詢率。紅色鏈接表示連接尚未建立。當(dāng)建立連接時(shí)，鏈路顏色變?yōu)榫G色，這使得用戶很容易根據(jù)鏈路狀態(tài)來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)。

圖5 GUI主頁面初始狀態(tài)

為了知道被感測(cè)參數(shù)的值，用戶能夠直接縮放到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并且通過單擊所需的節(jié)點(diǎn)來顯示所有值，如圖6所示，這里實(shí)時(shí)顯示溫度、pH值和水濁度的實(shí)際值，用戶可以通過單擊協(xié)調(diào)器圖標(biāo)來獲得每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處測(cè)量狀態(tài)的一次性顯示。同時(shí)顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間每個(gè)連接的鏈路質(zhì)量指示器(LQI)值。

圖6傳感器節(jié)點(diǎn)處被感測(cè)參數(shù)值的縮放顯示

4 測(cè) 量

文章選取觀音閣水庫作為研究對(duì)象，觀音閣水庫工程位于遼寧省太子河流域本溪縣境內(nèi)，是遼寧省利用外資修建的大型水利工程項(xiàng)目之一，水庫于1995年9月竣工。水庫庫區(qū)水面有62km2，最大庫容量21.68億m3，控制流域面積為2795km2，觀音閣水庫具有供水、發(fā)電和防洪的綜合效益。對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在灌溉控制系統(tǒng)中的性能和有效性進(jìn)行了初步的測(cè)試，以驗(yàn)證其用于實(shí)際監(jiān)測(cè)的可靠性和可行性。

4.1 功率消耗

低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中的一個(gè)重要指標(biāo)，以確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠以最少的維護(hù)時(shí)間長時(shí)間運(yùn)行。功耗測(cè)量僅針對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器實(shí)際上由基站的電源供電。在測(cè)量期間，終端設(shè)備被配置為處于定時(shí)器休眠模式狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)被配置為每隔30分鐘喚醒一次，持續(xù)100ms，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。其余時(shí)間，終端設(shè)備處于休眠狀態(tài)。

4.2 覆蓋性能

覆蓋是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要方面，因?yàn)樗@示了可以覆蓋多大的監(jiān)測(cè)區(qū)域，并保證以可靠的信號(hào)強(qiáng)度將數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交尽?/p>

測(cè)量是在平坦的室外開闊場(chǎng)地進(jìn)行的，假設(shè)接近實(shí)際應(yīng)用時(shí)沒有障礙物?；疚挥趨^(qū)域的中心，傳感器節(jié)點(diǎn)以一定的距離間隔以不同的角度放置在0°-360°之間?；镜乃袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均采用2db增益的全向偶極子天線，發(fā)射功率為100mw。

4.3 鏈路質(zhì)量指標(biāo)(LQI)

模塊中使用的CC2430收發(fā)器IC具有內(nèi)置的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)，該指示器基于網(wǎng)絡(luò)層作為信道選擇算法的一部分使用的接收機(jī)能量檢測(cè)(ED)測(cè)量。在ED測(cè)量期間，估計(jì)802.15.4信道帶寬內(nèi)八個(gè)符號(hào)周期的平均接收信號(hào)功率。LQI值是一個(gè)無符號(hào)的8位整數(shù)，范圍從0到255，最大值表示可能的最佳鏈路質(zhì)量。CC2430中的LQI值基于ED測(cè)量期間產(chǎn)生的RSSI值和每個(gè)傳入分組的平均相關(guān)值，基于分組SFD(幀首定界符)后面的八個(gè)第一符號(hào)來計(jì)算[3]。與RSSI相比，LQI被選為覆蓋性能的指標(biāo)，因?yàn)樗紤]了數(shù)據(jù)傳輸過程中噪聲的影響，而不僅僅是對(duì)模塊產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度的影響。覆蓋性能測(cè)量方法如圖7所示。

圖7 覆蓋性能測(cè)量方法

5 結(jié)果與討論

5.1 功率消耗

表1顯示了終端設(shè)備的平均功耗，在活動(dòng)模式和睡眠模式下都進(jìn)行了測(cè)量。

表1 終端設(shè)備功耗

這里需要指出的是，上述測(cè)量的平均功耗不僅考慮了模塊消耗的功率，還包括了調(diào)壓元件，其外圍電路由電阻、電容等基本元件以及所用傳感器的電源組成。

根據(jù)以上結(jié)果，電池的壽命可計(jì)算如下。

激活模式下的功耗：

W激活=35.5mA×100ms/(60×60×1000)=0.00099mA

(1)

睡眠模式下的功耗：

W睡眠=28.8mA×30分鐘/60=14.4mA時(shí)

(2)

W總功耗=14.4+0.00099≈14.4mA時(shí)

(3)

電池容量=170mA時(shí)

延長電池壽命=170/14.4=11.81小時(shí)

從測(cè)量結(jié)果來看，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)工作12h，而無需安裝新電池，使用容量為170mA時(shí)的可充電電池。這意味著它可以在短時(shí)間內(nèi)以臨時(shí)方式使用，當(dāng)然，如果使用更大容量的電池，時(shí)間會(huì)更好。此外，如果仔細(xì)考慮模塊電源電路，使用極低功耗的組件，加上智能電源管理，可以在休眠模式期間降低模塊所需的電壓供應(yīng)，則可以更好地改善結(jié)果。根據(jù)要覆蓋的區(qū)域選擇正確的功率輸出并定制在ZigBee模塊中執(zhí)行任務(wù)的固件也可以顯著降低總體功耗。

5.2 覆蓋性能

圖8示出了基于LQI值的覆蓋性能。在距離基站10到50米的距離內(nèi)，使用全向天線可獲得平均均勻的信號(hào)強(qiáng)度。為了進(jìn)一步評(píng)估所能達(dá)到的最大距離，選擇一個(gè)方向并延長終端設(shè)備與基站的距離。如圖9所示，在210 m的距離內(nèi)，在100%成功地傳送分組時(shí)仍然可以獲得可靠的信號(hào)強(qiáng)度。預(yù)期LQI值隨著距離的延長而減小。遺憾的是，由于地理位置的限制，無法確定最大可達(dá)距離。在終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間使用路由器有望進(jìn)一步增加覆蓋距離。

圖8 根據(jù)與協(xié)調(diào)器模塊的距離和方向計(jì)算的10-50m距離的LQI值

圖9 延伸至210m的LQI值

在覆蓋性能上，利用大功率傳輸，可以期望最小數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大的區(qū)域覆蓋。然而，為了獲得更可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到最壞的情況，需要在多個(gè)不同的環(huán)境下進(jìn)行其他測(cè)量。

6 結(jié) 論

總的來說，文章提出了一種基于大功率ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低功耗、高可靠性的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方案。大功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于制造業(yè)、建筑業(yè)、采礦業(yè)等涉及大面積監(jiān)測(cè)的行業(yè)活動(dòng)。該系統(tǒng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是易于安裝，基站可以放置在目標(biāo)區(qū)域附近的居民點(diǎn)，并且可以通過在系統(tǒng)安裝開始時(shí)受過最少培訓(xùn)的任何人。不同環(huán)境下的性能建模是未來研究的一個(gè)重要方面，因?yàn)椴煌愋偷谋O(jiān)控應(yīng)用在系統(tǒng)安裝過程中需要不同的配置。