基于無線傳感技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

賈愛云

（南京市江寧生態(tài)環(huán)境局，江蘇 南京 211100）

隨著工業(yè)化進程的不斷深入，人們在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，帶來了嚴重的環(huán)境污染，尤其是對水環(huán)境的破壞，給人們的健康帶來了極大的威脅。在我國提倡生態(tài)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的大背景下，加強對水資源的保護勢在必行，而水環(huán)境監(jiān)測是一種行之有效的水資源保護手段。但傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成本較高、精準度低，在實際使用中有很大的局限性，尤其是在基礎(chǔ)設施較為薄弱的地區(qū)，傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還存在著不適用的問題。為了實現(xiàn)對水環(huán)境的有效監(jiān)測，需要升級和優(yōu)化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本文就基于無線傳感技術(shù)對水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計。

1 系統(tǒng)整體框架

基于無線傳感技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖1所示。該系統(tǒng)主要是由水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點、信息匯聚節(jié)點、后臺處理節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)應用節(jié)點、環(huán)保信息查詢、訪問與查看環(huán)節(jié)以及后臺處理環(huán)節(jié)七個部分組成[1]。其具體工作流程為：系統(tǒng)首先通過傳感器采集監(jiān)測的水源相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并在信息數(shù)據(jù)收集完畢之后，通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至后臺處理服務器，并利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫對信息進行計算和分析，輸出水資源監(jiān)測的具體結(jié)果，然后系統(tǒng)會將該分析結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)送至水環(huán)境監(jiān)測部門，為相關(guān)管理人員采取對應的處理措施提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 節(jié)點設計

在設計系統(tǒng)節(jié)點時，本文結(jié)合系統(tǒng)的監(jiān)測需求設計傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點，并分析各個節(jié)點的功能結(jié)構(gòu)與特點。首先，傳感器節(jié)點主要是由水溫測量、pH測量、電導率測量、溶解氧測量4種不同傳感器組成，這些傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息再通過ZigBee模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點。傳感器節(jié)點的主要功能是集成模擬前端、ZigBee模塊和高性能MCU[2]。該集成模擬前端主要實現(xiàn)了對水資源溫度、pH值、電導率及溶解氧的測量。在該系統(tǒng)中引入ZigBee模塊，是因其具有功耗較低、體積小及運行穩(wěn)定性較高等優(yōu)點，能大幅縮減系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)的開發(fā)難度。而RTC可以為傳感節(jié)點提供精準的數(shù)據(jù)信息采集時間，確保數(shù)據(jù)的精準度。擴展的外部存儲器EEPROM、TF卡等則可以在ZigBee模塊運行出現(xiàn)故障時，存儲和備份數(shù)據(jù)信息。外接RS485等通信接口可以為傳感節(jié)點與各種傳感器模塊進行直接相連提供方便，USB接口則能夠為系統(tǒng)在計算機端的讀取擴展提供便利，MCU內(nèi)置的ADC和DAC能夠通過外接信號單元實現(xiàn)對4種水質(zhì)傳感器的一般精度測量。

2.2 處理器

處理器是節(jié)點設備運算和處理的核心模塊，主要任務是檢測與采集傳感器信號，計算和收發(fā)數(shù)據(jù)信息等。本文在選擇控制器時，綜合考慮了系統(tǒng)的工作環(huán)境及無線傳感網(wǎng)絡的特點，最終確定型號為STM32F107的處理器作為系統(tǒng)傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點的MCN單元。該型號處理器具有功耗低、運行穩(wěn)定性高、抗干擾能力強及接口較豐富等優(yōu)點，契合本系統(tǒng)的設計要求[3]。STM32E107處理器帶有USB OTG、時鐘、DAC、ADC等多種接口，并支持待機、停機等不同模式，可滿足系統(tǒng)的不同設計要求。

2.3 無線通信模塊

2.3.1 ZigBee模塊

本系統(tǒng)設計采用型號為DRF1609H的ZigBee無線模塊，完成不同節(jié)點之間短距離信息數(shù)據(jù)傳輸。DRF1609H模塊的內(nèi)部芯片為雙核ARM-32位的CC2630芯片，信號放大為雙通道功率放大器，最大支持269字節(jié)的數(shù)據(jù)包。該型號的ZigBee無線通信模塊具有體積小、使用便捷的優(yōu)點，能夠采用UART和MCU進行數(shù)據(jù)交換。此外，DRF1609H模塊還能與DTK軟件配套應用讀取ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，能夠直觀、清晰地看出整個ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上所有節(jié)點關(guān)系及信號強度，為系統(tǒng)組網(wǎng)測試帶來極大便利。DRF1609H模塊電氣參數(shù)見表1。

表1 DRF1609H電氣參數(shù)

2.3.2 遠程通信模塊

本系統(tǒng)設計選用了型號為H7710S的DTU模塊，該型號的遠程通信模塊可以通過移動網(wǎng)絡搭建客戶端和系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務中心的無線鏈路，方便用戶使用終端設備完成數(shù)據(jù)的遠程通信。H7710S具有體積小、質(zhì)量小、工作電壓范圍廣以及支持多種傳輸協(xié)議的優(yōu)點，因此，可以完全滿足本系統(tǒng)的設計要求。

2.4 模擬前端（AFE）

本文硬件系統(tǒng)設計所采用的模擬前端為AD5941，具有功耗低、精度高及穩(wěn)定性強等優(yōu)點，適合測量精度較高的系統(tǒng)。該模擬前端內(nèi)部安裝有兩個高精度激勵環(huán)路和一個通用的測量通道，因而可以對各種不同的傳感器進行同時測量。本文基于AD5941所具有的水質(zhì)分析檢測功能和其高集成度，將其應用于對水質(zhì)溫度、pH值、電導率以及溶解氧的傳感器數(shù)據(jù)參數(shù)測量中。

2.4.1 溫度測量

考慮到本系統(tǒng)主要用于對河流、湖泊等水體進行監(jiān)測，因此在選擇用于測量溫度的熱敏電阻時，采用了阻值會隨著溫度的升高而降低的負溫度系數(shù)電阻（NTC），但由于負溫度系數(shù)電阻和溫度之間呈現(xiàn)出了非線性的關(guān)系，并且隨著溫度的不斷升高，電阻的變化率會逐漸變小，這就會導致電阻的測量精度發(fā)生變化，因此，在環(huán)境溫度變化（-30 ℃～50 ℃）范圍較小的情況下，采用負溫度系數(shù)電阻較為合適。本系統(tǒng)設計所采用的負溫度系數(shù)電阻電導率傳感器探頭中安裝有10 KΩ大小的阻值，其材料系數(shù)B為3 950。電阻值大小與溫度的關(guān)系用如下公式來表示：

通過公式（1）的計算可以得出在不同溫度下的NTC電阻值，然后再將其代入如下公式：

經(jīng)過計算可得到當前水質(zhì)溫度與AD值的二維數(shù)組，然后再采用查表法即可得出所要的溫度數(shù)據(jù)[4]。在實際的水環(huán)境監(jiān)測項目中，為了保證測量溫度的精準度，通常都會使用分段線性化的方法來對負溫度系數(shù)電阻溫度進行測量。

2.4.2 pH值測量

pH值能夠直觀反映水質(zhì)的酸堿程度，為了能夠精準測量水質(zhì)pH值，本次系統(tǒng)設計采用了功耗較低、運行穩(wěn)定的LTC6078精密運放以及3.3 V直流電源來為pH測量電路供電，并選用復合型pH電極，其正極和LTC6078的正向輸入端相連，以實現(xiàn)緩沖放大輸出，pH負極和AD4941內(nèi)部的DAC偏置輸出VZERO端相連。該處兩端電壓經(jīng)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換后，能得到穩(wěn)定的電壓讀數(shù)，再使用標準pH值校準液校準并對其進行線性化處理，即可得出精準的水質(zhì)pH數(shù)據(jù)。

2.4.3 電導率測量

電導率反映的是水體傳導電流能力的高低，但在水體中真正具有導電能力的是各種離子，因此，測量水體的電導率能夠在很大程度上反映出水體中各種酸堿離子的濃度，進而體現(xiàn)出水質(zhì)的化學污染程度。本文所設計的電導率測量原理是在電導池兩端施加偏壓，通過測量所產(chǎn)生電流的大小來確定電導率的大小。為了保證電導率的測量精度，本文采取了不銹鋼同軸電導率傳感器，其電導池常數(shù)K=0.1，線長2.5 m，該傳感器內(nèi)部自帶負溫度系數(shù)電阻值溫度補償輸出，可以實現(xiàn)對電導率的溫度補償[5]。在對電導率進行測量時，首先需要對ADC分壓電差進行測量，并依據(jù)如下公式進行計算便可得出電導率的值。

2.4.4 溶解氧測量

溶解氧反映的是水體中的氧濃度。本文選用了電極型溶解氧傳感器來實現(xiàn)對水體中所溶解的氧含量進行檢測。其具體的測量原理如圖2所示。

圖2 溶解氧測量原理圖

由此圖可以看出，溶解氧電極的一端和RE0相連，AD5941可以在RE0引腳上生成一個大小約為600 mV的偏壓，而溶解氧電極的另一端則和SE0相連接，電流經(jīng)過SE0端后，流入可編程電阻RTIA，然后會產(chǎn)生一個和溶解氧呈線性相關(guān)的電壓信號VLPTIA，之后再經(jīng)由ADC對差分電壓進行采集之后得到具體的AD電壓數(shù)值，再將該電壓數(shù)值和標準溶解氧進行校準和溫度補償之后，便可得到較為精準的溶解氧數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 嵌入式軟件設計

3.1.1 傳感節(jié)點程序流程

本文所設計的傳感節(jié)點程序流程如下圖3所示。由圖3看出，該程序運行時先關(guān)中斷，然后再對由匯聚節(jié)點發(fā)送過來的信號進行檢測，待終端檢測到信號之后，系統(tǒng)開始啟動設備對該程序進行初始化，開啟終端，設置時鐘信號以及LCD顯示信息等。然后程序進入任務主循環(huán)，從而判斷是否有事件發(fā)生，如果有事件，則再對事件的優(yōu)先級進行判斷，然后調(diào)用系統(tǒng)中的事件處理函數(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和處理。

圖3 傳感節(jié)點程序流程

得益于CC2630內(nèi)部集成了多個ADC模塊，可以實現(xiàn)對多個數(shù)據(jù)的同時測量，可以采用多通道測量，并在對應的采集函數(shù)中對每個傳感器通道進行定義，然后對采集函數(shù)進行分時復用?？梢韵葘囟冗M行測量，待溫度數(shù)據(jù)被讀取之后，再將其轉(zhuǎn)換為對應的字符串，然后再對其他傳感器數(shù)據(jù)進行采集，待采集完成之后將數(shù)據(jù)發(fā)送至AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，再將其轉(zhuǎn)換為字符串，最終得出真實的水質(zhì)狀況數(shù)據(jù)。等待對所有的傳感器數(shù)據(jù)測量完成之后，會對該組數(shù)據(jù)進行發(fā)送。

3.1.2 匯聚節(jié)點程序流程

匯聚節(jié)點主要用于控制網(wǎng)絡的開關(guān)，可以實現(xiàn)對多個終端數(shù)據(jù)采集的同時控制，具有操作簡便、使用成本較低等優(yōu)點。本文所設計的匯聚節(jié)點程序流程如圖4所示。由圖4看出，該程序開始于設備初始化，之后程序會對終端ID號碼進行查找，待找出終端PIN碼之后，將該終端設備加入至網(wǎng)絡中。然后，匯聚節(jié)點會向終端發(fā)送控制命令，將終端開啟，而后待終端設備初始化之后，運行事件。而傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由無線模塊進行接收之后，會將數(shù)據(jù)進行存儲并將其發(fā)送至PC上位機，顯示在屏幕上。

圖4 匯聚節(jié)點程序流程

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計流程見圖5，主要內(nèi)容包含通信串口的檢測、數(shù)據(jù)傳輸格式的設置、各種節(jié)點控制、數(shù)據(jù)接收以及溫度變化曲線圖等。該程序開始于初始化，然后對串口進行查詢檢測，判斷是否為有效的串口，待程序確定串口有效后，再打開串口讀取數(shù)據(jù)，并將其分段顯示在文本框中。而溫度數(shù)據(jù)則采取繪制曲線的方式，待繪滿后，自動進行清屏重新繪制，直至將數(shù)據(jù)計算完畢。

圖5 上位機軟件流程

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于無線傳感技術(shù)，以無線傳感網(wǎng)絡和ZigBee無線技術(shù)為支撐，對水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計。經(jīng)過調(diào)試和測試后證明，該系統(tǒng)具有較強的實用性，能夠在降低水質(zhì)監(jiān)測成本的同時，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑥亩鵀樗h(huán)境治理提供數(shù)據(jù)的支撐。