基于Zig Bee的大水域水质环境监测系统设计*

2014-09-25王士明俞阿龙杨维卫

传感器与微系统 2014年11期

王士明，俞阿龙，杨维卫

(1.东北师范大学物理学院，吉林长春 130000；2.淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏淮安 223300)

0 引言

目前，大水域水产养殖已成为商业化水产养殖的主要方式，在大水域中水质环境具有非线性、时间滞后性和大惯性等特征。因此，及时地获取水质坏境参数是保证水产养殖高效生产、防止疾病发生，保障水产品安全的关键环节[1]。为了克服传统的有线监测系统具有布线困难，且线路容易受破坏和腐蚀，系统可靠性差，监测区域有限，维护成本高等问题，万传飞等人提出了无线传感器网络(WSNs)的水产环境监测方案[2]，黄健清等人研究设计了采用MSP430F149单片机构建的溶解氧、pH值和温度参数的无线传感器网络监测系统[3]。刘建峰等人提出了基于Zig Bee网络的水产养殖检测系统[4]，以上这些方法在一定条件下满足了水质环境监测的需要，但以上方法多采用水质自动检测仪进行监测，存在设备成本高，不利于大水域的水质监测。

本文采用了Zig Bee协议的无线传感器网络的水质监测系统，设计了以电池方式供电的调理电路，无需市电供电，实现了真正的无线化。该系统有更大的灵活性，能对大水域水质环境多个参数实时监测。

1 系统整体设计

整个系统有若干个无线传感器网络终端节点、路由节点和网络协调器、上位机数据中心组成。终端节点分散地部署在监测区域内，采集水质环境信息，路由器负责将各终端数据路由转发至网络协调器，网络协调器得到汇总数据并通过RS—232发给上位机或是嵌入式设备，监测设备实时显示收集到的各区域环境信息，保存到数据库。监测系统结构如图1。

图1 监测系统结构

2 系统硬件设计

2.1 测控节点硬件设计

测控节点以CC2530芯片为核心进行设计，其集成了业界领先的RF收发器、增强型的8051MCU，8通道12位的高精度A/D转换器，支持IEEE 802.15.4标准，兼容Zig Bee 2007协议栈等。节点分测量节点与路由节点2种，也可以将两者结合在一起，测量节点主要涉及到pH值、溶解氧、氨氮含量、温度传感器和调理电路构成的。控制路由节点负责数据的路由转发，其结构如图2所示。

图2 无线传感器节点图

2.2 传感器微弱信号调理电路

采用上海雷磁公司的E—201—C型pH复合电极测量溶液的pH值，其测量原理是通过测量电极系统与被测溶液构成的测量电极的电动势，从而获得被测溶液的氢离子活度。电极测量溶液pH值时采用电位法测量原理，pH复合电极常用玻璃电极做指示电极，甘汞电极或银—氧化银电极做参比电极，在测量溶液的酸碱度时，当被测溶液的氢离子浓度发生变化，玻璃电极和参比电极之间的电动势也随之发生变化，当两电极形成的电势差等于0时，被测溶液的pH值为7，pH复合电极电位为0 V。依据能斯特方程[2]，pH复合电极电位与溶液pH值之间的关系可以用以下方程式描述

(1)

式中Ex为pH复合电极电位，V；E0为标准电极电位，V；R为气体常数，为8．314 J/(K·mol)；T为测试溶液的热力学温度，K；F为法拉第常数，为96 500 C/mol；pH为测试溶液的pH值。pH值测量采用pH复合电极，被测溶液pH值分布在区间0～14时，pH复合电极输出信号为双极性模拟信号，由于pH复合电极受其自身高内阻(108～1 010 Ω)影响，输出信号范围较小，要求测量电路要有足够高的输入阻抗，因此，必须对输出信号进行放大、平移，以满足A/D转换电路的输入范围[2]。根据实际情况设计电路如图3所示。

图3 pH值调理电路

第一级为电压跟随器，目的是增加输入内阻提高抗干扰能力，第二级为滤波放大，第三级将放大后的信号调整为0～3.3 V，以满足CC2530A/D转换器的输入范围，pH值调理电路输出电压为VpH(V)

(2)

其中,Vin为pH电极的测量输出电压，RP为可调电阻，R2～R7为定值电阻。

测量氨氮采用上海雷磁的PNH3—1气敏氨电极。氨氮测量电路，气敏氨电极的选择性气体渗透膜只能通过氨分子，内部工作原理类似pH电极，输出电压信号，测量电路可参考pH测量电路。

溶解氧监测采用极普式薄膜电极法[5]。其中，电极的阴极由4 mm Au片组成，阳极即参比电极为Ag片，两极之间充以电解液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。当阴阳两极间加0.7 V左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在Au阴极上还原，由于电极上发生氧化—还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。无氧时，传感器中无电流；有氧时，电流大小可用公式为

i=K·N·F·A·C·P/L,

(3)

式中K为常数；N为反应过程中的失电子数；F为法拉第常数；P为薄膜渗透系数；L为薄膜的厚度；A为阴极面积；C为样品中的氧分压；i为扩散电流。其电路为图4所示，第一级为电压跟随器，调节电阻Rp分压电阻，接到溶解氧的阴极，为阴极提供电压；第二级将溶解氧的阳极接到放大器的反向输入端，使阳极电压为0，调节RP使传感器两极电压为0.7 V，保证传感器正常工作，放大器将电流信号转换为电压信号，第三级放大电压信号，使其满足采集需要。输出电压为VDO_OUT(V)

(4)

式中VDO_OUT为溶解氧输出电压，I为扩撒电流，R2,R4,R5为定值电阻。

图4 溶解氧调理电路

温度采集采用Maxim公司的DS18B20传感器[6]，DS18B20是一种单总线的数字传感器,只需接一个4.7 kΩ的上拉电阻就可以正常工作。和其他的温度传感器相比,降低了电路的杂程度，提高了系统的稳定性。

3 系统软件设计

3.1 节点软件设计

节点软件基于IAR集成开发环境，采用Zig Bee 2007协议栈基础设计的，Zig Bee 2007协议栈提供了一系列的应用程序接口函数(API),通过调用API可实现Zig Bee标准中的各层次相应的功能:1)协调器节点自动建立网络;2)传感器节点自动发现协调器，而且一旦加入网络后，能够自动与协调器节点建立绑定；3)传感器节点能够周期性地向路由节点或协调器节点发送数据，并且用端到端确认的发送模式；4)如果传感器节点没有收到采集节点的确认消息，它将解除与该采集节点的绑定，然后，重新发现协调器节点并与其建立绑定。协调器周期性地通过串口把接收到的数据传给监测中心。传感器节点流程如图5所示，协调器工作流程如图6。

图5 传感器节点流程图

图6 协调器工作流程图

3.2 监测中心软件设计

监测中心采用上位机采用LabVIEW设计[7～10]，LabVIEW作为一个专为测试测量设计的编程语言,使用了工程师们最熟悉的图形化的编程方式,能够帮助用户高效和快速的开发测试应用。本文通过LabVIEW设计了人机交互界面，调用了VISA Configure Serial Port完成串口参数的设置，数据访问工具包LabSQL动态写入数据库保存每次采集的数据，方便操作者调用历史数据进行分析。实现了多个参数的多个参数的实时显示，绘制动态曲线。监测中心软件结构如图7。

图7 监测中心软件结构图

4 测试结果与分析

为了检验本文所设计系统的正确性，对3个节点进行网络丢包率测试，在不同距离每个节点发送2 500个数据包，如图8所示，传感器节点监测点的距离大约50 m丢包率明显增加，因此,在淮安楚州区的养殖水域的相距大约40 m不同水层部署了6个节点，组成星状网络进行测试，系统连续运行10 d,采集间隔为15 min。测试结果如表1所示，pH值、溶解氧氨氮和温度平均误差分别为0.52 %,2.7 %,3.58 %和0.79 %，该系统运行可靠，满足实际运行需求。

5 结论

测试结果表明:本文设计的系统可以实现较精准的无线水质参数采集；网络自组织、自愈能力强，无需人工干预。可以对渔业养殖环境中的水的温度、溶解氧等因子进行连续监测。由于系统可实现远程监控，即使业主或监测人员不在监测现场，也可以全面了解水环境情况。本文将无线技术应用在智能水产养殖系统中可以提高智能水产养殖检测系统的性能，实现水产养殖环境参数的自动采集，无线传输和实时处理，而且不受地域、时域的限制，在工厂化水产养殖应用中具有一定的实际意义。与采用在线水质监测仪的同类产品相比，这种多参数监测系统结构简单、成本低、测量误差小、精度满足测量需求、数据通信稳定、效率高。该系统克服了有线通信的缺点，可应用与水环境检测和大水域水产养殖等方面，其应用前景广阔。