基于WSNs-SMS的低功耗水质检测系统设计

姚达雯, 周国平, 王鑫鑫, 黄 峰

(南京林业大学 信息科学与技术学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

工业污染和自然灾害导致的水环境破坏严重地威胁着人们的生产和生活用水安全。为此，水质监测已成为关系到各行各业正常发展的重要手段。目前的水质监测以人工采集为多，然而无线传感器网络(WSNs)以其覆盖范围广、自组网络能力强、实时性好、应用可移植等特点为水体检测的数字化、自动化、智能化提供了有利条件[1]。文献[2，3]中提出的运用通用分组无线业务(GPRS)实现水质监测，虽然实时性强，但受信号覆盖限制且收发信息需要收费，成本较高，操作复杂。而文献[1，4]中提出运用Zig Bee无线技术的检测方法成本较低，简单便捷，但节点功耗较大且传输距离有限。

本文采用Zig Bee与GPRS通信相结合的方法， 硬件设计以16位低功耗单片机作为主控芯片，软件上以轮转查询式的Z-Stack作为堆栈协议，实现了功耗低，覆盖范围广，操作简便的水质监测系统设计。

1 系统结构

系统由传感器节点、协调器节点、监控上位机构成，利用Zig Bee通信协议和GPRS通信技术的无缝链接进行实时通信。传感器节点将MSP430作为主机，CC2430作为从机，传感器组作为数据采集探头，实现水温、pH 值、溶解氧、浊度、水位和电导率等参数的实时采集和处理，这些数据通过Zig Bee网络协议以多跳路由的方式在相邻传感器节点间传递，从而实现全区覆盖。协调器节点由MSP430和TC35i短信平台相结合，通过GPRS和GSM网络实现与远程监控的上位机或检测人员手机的通信。系统结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 MSP430主控制器

本设计采用了以MSP430F149为核心的主控制模块，它是TI公司推出的一种集成度高、功能丰富、功耗极低、在恶劣环境下工作性能稳定的16 位微控制器。MSP430工作电压为 1.8～3.6 V，具有一种活动模式和5种低功耗运行模式，有利于解决WSNs节点能耗这一瓶颈，延长电池寿命。工作环境温度为 -40～+85 ℃，适应于各种水环境的监测应用[5]。

图1 系统框图

2.2 Zig Bee收发模块

Zig Bee收发模块采用CC2430与CC2591相结合的形式。CC2591是TI公司提供的面向低功耗无线传输，工作在2.4 GHz的射频前端芯片，内部集成功率放大器的增益为22 dB，并利用具有低噪声系数的低噪声放大器来改善接收灵敏度，从而增加链路预算。它的主要作用是为CC2430提供无缝匹配的功放模块，增强射频信号性能，增大数据传输距离[6]。

CC2430是Chipcon公司推出的适用于Zig Bee无线网络节点的SOC，内部集成2.4 GHz射频收发器和8051控制器，支持IEEE 802.15.4/Zig Bee协议，具有接收灵敏度高和抗干扰性能强的优点[7]。此外，在接收和发送数据的模式下，电流损耗分别低于27,25 mA，休眠电流为0.5 μA[8]。CC2430与MSP430，CC2591的连接原理图如图2所示。

图2 Zig Bee模块电路

2.3 传感器组的选择

传感器组作为数据采集探头，需要对温度、溶解氧、电导率、水位、pH 值和浊度等参数进行检测。传感器的选型首先必须考虑是否适应水下环境的检测，本设计采用美国Global Water公司推出的WQ101型温度传感器，WQ201型pH值传感器，WQ301型电导率传感器，WQ401型溶解氧传感器，WQ700型浊度传感器和杭州烨立公司生产的水位传感器。此系列传感器具有精度高、准确性好、可靠性强、成本低且适用于Zig Bee无线技术应用的特点[9]。

由于各传感器输出电信号的范围不同，为了便于单片机进行数据运算处理，设计了信号调理电路，将这些非标准的电流信号转换成便于单片机进行数据处理的标准信号，在信号调理电路的设计中，采用LM358型运放构成前级同相放大电路和后级差分放大电路，并通过调节电路中的相关电位器，实现由各种传感器输出的非标准信号向标准信号的转变(图3)。

图3 传感器信号调理电路

2.4 SMS模块

调节器节点的SMS模块采用西门子公司推出的GSM/GPRS双模模块TC35i，它的GPRS模块永久在线功能提供了最快的数传速率。它体积小巧，功耗低，能提供数据、短信、语音、传真等功能，可广泛用于遥感测量记录传输、远程信息处理、电话[10]。如图4所示，SMS模块主要包括接口电路，SIM卡座电路和串口电路。

图4 短信模块电路

2.5 电源模块

调节器节点采用5 V直流电源或USB供电，而MSP430和CC2430需要3.3 V电源，TC35i则需要4.2 V电源。因此，需要搭建电源转换模块。采用TLV1117—3.3和LM2941稳压芯片分别实现5 V转3.3 V和5 V转4.2 V的电源模块设计，转换电路如图5所示。不同于调节器节点，传感器节点因抛撒放置后无法再回收,所以，采用2节普通AA干电池供电,使用寿命可达几个月,可以达到应用要求。

图5 电源模块

3 系统软件设计

3.1 系统总体软件结构

系统软件主要包括Zig Bee节点程序，传感器节点程序和调节器节点程序。其中Zig Bee节点和传感器节点程序是系统软件的重点，作为前端Zig Bee网络的开发程序，这两部分共同完成了数据的采集、传输和对网络的管理。根据传感器节点安放的位置，还可以形成对消息中继转发的路由节点。而通过GSM/GPS网络与上位机、手机通信的协调器模块是网络的控制中心，一方面负责网络的配置和管理，另一方面还接收各传感器节点发来的数据，并将其进行汇合整理后通过SMS模块上传至手机、上位机。

3.2 Zig Bee节点程序

为了实现低功耗的特征，本设计采用TI公司开发的基于轮转查询式操作系统的Z-Stack协议栈。协议流程如图6所示，当初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件，从而极大地降低了系统的功耗[1]。

图6 Z-Stack协议流程

3.3 传感器节点程序

传感器节点的软件部分包括水质监测数据采集和网络通信两部分。由于传感器节点使用干电池供电，所以，在软件设计中尤其要考虑低功耗的问题。节点上电后首先进行Z-Stack协议栈初始化,然后开始信道扫描，当检测到有协调器节点的信标时,发送建立网络连接的请求，获得连接允许并与协调器建立绑定后，获得协调器的标识号，成功入网，开始定时测量水质数据，并通过Zig Bee无线发送给协调器节点，否则，会转入休眠状态以降低功耗，其软件流程如图7所示。

图7 传感器节点程序流程

3.4 协调器节点程序

协调器节点上电后首先进行硬件、软件初始化，然后建立网络，与传感器节点建立绑定，绑定过程在图7中已有所陈述。形成网络后,协调器把传感器节点的标识号发送给监控终端并等待传感器节点发送数据。当协调器接收到采集的数据，经过处理后，通过LCD显示，并定时通过GPRS网络传输给检测者手机或者监控上位机，协调器节点程序流程如图8所示。

图8 协调器节点流程图

3.5 GPRS通信流程

在SMS模块部分，MSP430 通过GSM模块TC35i发送相应的命令来实现数据的收发，首先要用AT指令对TC35i进行初始化，包括AT指令测试，对波特率、禁止指令写回、工作模式等进行设定。对应格式如表1所示。采用PUD格式的发送协议，与文本格式相比，PUD格式不仅支持任何编码，应用效果好，而且不需要预置编码选项。

表1 AT指令对照表

4 实验结果与分析

为了对系统设计进行验证，笔者用调试好的系统对南京玄武湖部分区域进行了水质监测。出于成本考虑，设置了5个传感器节点，检测日期为2013年12月12日上午10∶00。各节点检测到的数据可以定时发送短信到检测者的手机，表2为某一个时刻收到的水质数据结果。经测量，传感器节点接收数据时的电流为38 mA，发送数据时的电流为58 mA，休眠时的电流仅为1.4 μA，采用AA干电池可供节点工作时间长达3～4个月。

表2 实验检测结果

5 结 论

本文从硬件和软件上都将低功耗作为前提，设计了一种基于WSNs-SMS的低功耗综合水质检测系统。将低功耗芯片MSP430与CC2430和SMS模块相结合，并应用轮转查询式的Z-Stack协议栈实现节点通信，从而大大降低了节点耗电。经过实际检测，结果表明：系统工作稳定，通信距离可达800 m左右，节点工作电流不超过60 mA，满足应用需求。

参考文献:

[1] 敖俊宇.基于Zig Bee的水质监测无线传感器网络的研究[D].南昌:南昌大学,2012.

[2] 陈 军，盛占石，陈照章，等.基于GPRS的水质自动监测系统的设计[J].传感器与微系统，2009,28(7):77-79.

[3] 郭荣祥，陈树树.基于ARM处理器与 GPRS 技术的水厂监控系统[J].微型机与应用，2010,29(19)：66-69.

[4] 刘继忠，敖俊宇，黄 翔.基于Zig Bee的水质监测无线传感器网络节点[J].仪表技术与传感器，2012(6)：64-68.

[5] 张 珏，李 波.用于水质监测的无线传感器网络节点设计[J].自动化技术与应用，2011,30(9):38-41.

[6] 裴素萍，吴必瑞.基于物联网的土壤含水率监测及灌溉系统[J].农机化研究，2013(7)：106-109.

[7] 程春荣，毛祥根，武利珍.基于Zig Bee技术的水质监测系统[J].电子器件，2009,32(5)：942-945.

[8] 梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的Zig Bee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010,18(2):15-18.

[9] 常晓敏.水质监测系统的研究与设计[D].太原：太原理工大学,2006.

[10] 宋 超，李 欣，董静薇.基于TC35i和MSP430F149的无线数据采集系统[J].哈尔滨理工大学学报，2007,12(2):103-106.