水质监测无线传感器网络的硬件设计*

闫宏浩， 陈天华

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

水质监测无线传感器网络的硬件设计*

闫宏浩， 陈天华

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

针对传统水质监测系统不能对水质参数进行实时在线监测,难以准确检测水质参数的动态变化、水质参数检测误差大等问题,提出了水质监测无线传感器网络(WSNs)的硬件设计方案。系统主要通过核心单片机CC2530 实现传感器节点设计,采用太阳能电池板进行供电,同时设计了采集温度、pH 值的硬件电路,并对硬件电路进行了稳定性试验。在 IRA 开发环境下，进行传感器节点和协调器的编程，使之能够进行通信。实验结果表明：系统温度、pH值的平均相对误差分别为3.06 %，1.64 %，提高了监测精度。

无线传感器网络; 水质监测; 传感器节点; 硬件平台

0 引 言

水质监测技术随着社会的发展而与时俱进，水质监测技术主要是通过知识的累积，不断地探索、挖掘出最符合经济效益、社会需求、性能优化的一种技术。传统的水质监测技术始终局限于不能实时、大范围、复杂水域的监测，同时在水质监测过程中，出现操作复杂，耗时长、劳动强度力大等现象，由此可见，传统的水质监测存在着一定的缺陷和不足[1]。为了满足人们的要求和不同产业部门的需要,考虑到无线传感器网络 (WSNs)系统的优势与特点，本文提出了基于WSNs水质监测系统的方案。本系统的构建实现了大范围水域能够灵活部署、采用多个节点进行布置，同时也可以对复杂水域进行检测，并能够在线地传送和收集信号，这样更符合社会的实际需要[2]。

1 系统的总体结构

水质监测的总体结构应该包括两个部分，一部分是布置在水中的Zig Bee网络，另一部分是负责通信和监控的上位机部分，总体架构如图1所示[3]。

图1 系统总体架构图

传感器节点采用自组织方式部署在水质监测的实际环境中,在覆盖范围内的传感器节点构成WSNs。该方案通过模块化设计满足个性化需要，传感器子节点主要模块有无线收发模块、信号处理模块、信号采集模块、太阳能供电模块。然后传感器子节点再通过无线信号发送给网关节点，网关节点再通过串口把数据传给到PC机，然后再通过Internet把数据发送到远程客户访问端。传感器节点硬件总体设计如图2所示。

图2 传感器节点硬件总体设计

1.1 电源模块的设计

由于水质监测系统需户外供电，为了使供电能够持久、节能，该系统的电源模块设计采用太阳能供电。太阳能电池板不能直接给节点和传感器供电，因为太阳能电池板采集的电压不稳定，所以,太阳能电池板需要通过调节控制器给蓄电池充电[4]。这里利用集成芯片Bq2057作为调节控制器，防止电流的过充和回流现象，从而保持输出电压能够稳定。如图3所示，给出太阳能和蓄电池之间调节器控制电路。

图3 太阳能和蓄电池之间调节器控制电路

1.2 温度信号调理电路的设计

在进行水质监测过程中，设计采用Pt 1000温度传感器进行测量。这里采用桥式电路来测量传感器两端的电压，之后再经过AD623芯片进行放大，放大电路放大20倍，可以达到所需要采集的电压[5]。如图4所示为相应的电路。

图4 温度信号处理电路

1.3 pH电极信号调理电路设计

在水质监测的过程中，监测水的酸碱度是一个重要的环节，本文利用E—201—C pH电极来对水的酸碱度进行检测，该电极采集的pH值范围为1～14。

本文采用CA3140 芯片设计出一个电压跟随器，使信号能够隔离，然后再把隔离后的信号经AD623放大，若R6=1 kΩ，则电压信号放大100倍，使输出信号达到处理器模块所需要的电压。图5所示为pH电极信号调理电路[6]。

图5 pH电极信号调理电路

1.4 通信模块的设计

通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。在WSNs中,节点能量的消耗主要在通信上,因此,应选择低功耗,高性能的通信芯片以延长节点寿命。本文采用CC2530作为节点主控芯片，利用Z-Stack 协议栈进行软件开发，系统自动采集发送水质数据，并实现了与监控终端之间的通信。图6为系统通信模块。

图6 通信模块的设计

2 系统软件设计

系统的节点软件可分为协调器软件和传感器节点软件2部分。两部分软件是由基于一个轮转查询式操作系统的Z-Stack协议栈开发，Z-stack协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。协议栈的Main函数在ZMain中，主要进行系统初始化和开始执行操作系统实体。Z-stack已经编写了对从MAC层到Zig Bee设备应用层这5层任务的事件的处理函数，一般情况下无需修改这些函数，只需编写应用层的任务和事件处理函数即可。Z-Stack协议栈用C语言编写，可移植性强。

整个应用程序应具备以下基本功能：协调器可以自动建立一个网络；传感器节点能够自动发现网络，而且一旦加入了网络，就能够自动与协调器建立绑定[7]。

2.1 协调器节点程序流程

在一个网络中，通常只有一个协调器用于接收传感器节点采集的信息，并且将这些信息进行实时显示并发送给监控端PC。协调器节点上电后首先要进行Zig Bee网络，并发送超帧，等待传感器节点的连接请求。当收到传感器节点的连接请求时，对其进行认证，然后发出允许连接的命令，即实现传感器节点与协调器的绑定，网络形成后，协调器把传感器节点的标识号发送给监控端登记，并等待传感器节点发送数据。当有传感器节点向协调器发送数据时，协调器会对数据进行处理并发送给监控终端，监控终端软件可将这些数据实时显示，协调器节点程序流程如图7所示。

图7 协调器节点程序流程

2.2 传感器节点程序流程

由于传感器节点电池携带能量有限，在软件设计时既要使之完成需要的功能，又要考虑能耗问题，故传感器节点程序设计应使各模块尽量在休眠状态。

传感器节点上电后首先进行Zig Bee协议栈初始化，然后开始信道扫描，寻找协调器节点。当检测到协调器节点的超帧信号时，向其发送建立连接的请求。在协调器允许连接并成功与协调器建立绑定后，获得协调器的标识号，让其加入到网络中，并且开始定时测量pH值和电导率、溶解氧，同时无线发送给协调器。当传感器节点空闲时，会转入休眠状态，节电降低功耗[8]。图8为传感器节点程序流程图。

图8 传感器节点程序流程图

3 硬件电路稳定性实验

3.1 pH值的标定

本文通过数学方法计算出HCl溶液和NaOH溶液理论上的pH值，然后和pH电极测得的HCl溶液和NaOH溶液的pH值进行对比，通过相对误差可以对pH值进行补偿，提高pH值的精度，以达到标定的目的[9]。表1给出实际pH值在不同溶液的测量值。

表1 pH值在不同溶液的测量值

pH 值随着温度变化的平均相对误差为2.32 %，根据实验数据得出 pH 值随着温度变化的相对误差曲线，如图9所示。

图9 pH值随着温度变化的相对误差

3.2 pH值与输出电压的线性测试

计算pH值是根据溶液中H+浓度对数的负数得出的，H+浓度越大其酸性越强，H+浓度越小其碱性越强。利用pH电极测量水的酸碱度，就是改变电极的原电池特性，原电池特性是随着H+浓度的活性而改变的，即原电池两端的电位是随着H+浓度的改变而改变[10]。所以,可以根据所测得的电压值来寻求与pH值的关系。如表2所示给出输出信号与pH值的关系，由表2的数据可以得出pH的大小随着电压的增大而线性增加。

表2 输出信号与pH值的关系

4 实验结果与分析

试验结果表明：本系统的测量值和理论上的测量值基本接近，温度和pH值的平均相对误差分别为3.06 %和1.64 %，测量精度满足水质监测要求。如表3和表4分别为温度与pH值的测试结果。

表3 温度的测试结果

表4 pH值的测试结果

5 结 论

本设计从硬件上实现了基于WSNs的水质监测系统的构建，选用两块CC2530 射频模块做为协调器和子节点的无线组网，同时对温度、pH值等参数进行信号调理，并对所得数据进行大量的实验，确保数据准确。软件上，通过 IAR 对Z-stack 协议栈应用层进行编程，完成了子节点和网关的配置，实现了网络的组建，并完成了通信。

实验结果表明：温度、pH值的平均相对误差分别为3.06 %,1.64 %，比传统水质监测方法的精度提高了25%左右，具有较高的精度。

[1] 沈 琳.我国水资源污染的现状、原因及对策[J].生态环境,2009(4):182-193.

[2] 闵庆文,成升魁.全球化背景下的中国水资源安全与对策[J].资源科学，2002，24(4)：50-52.

[3] 刘亚菲.李书邦.浅谈在线水质分析仪市场与应用技术的发展[J].科技风,2013(13):210-215.

[4] 程春荣.基于Zig Bee技术的水质监测系统的设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

[5] Ailamaki Anastasia ,Faloutsos Christos ,Fischbeck Paul S,et al.An environmental sensor network to determine drinking water quality and security[J].SCM SIG-MOD Record,2003,32(4):47-52.

[6] 张 珏,李 波.用于水质监测的无线传感器网络节点设计[J].物联网技术,2011,30(9):38-40.

[7] 孟 赟.太阳能电池模拟电源的研究与设计[D].上海：上海交通大学,2008.

[8] Rasin Z,Abdullah M R. Water quality monitoring system using Zig Bee-based wireless sensor networks[J]. International Journal of Engineering & Technology(IJET),2009,9(10):24-28.

[9] 孙学岩.基于Zig Bee无线传感器网络的温室测控系统[J].仪表技术与传感器,2010(8):48-50.

[10] 张 任,王坚锋,严 海.基于Zig Bee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程,2008,25(8):19-23.

Hardware design of WSNs for water

quality monitoring*YAN Hong-hao, CHEN Tian-hua

(School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Aiming at problem that traditional water quality monitoring systems can not real-time online monitoring water quality parameters ,it is difficult to accurately detect dynamic changes in water quality parameters,and water quality parameters detecting errors is large,propose a WSNs-based hardwave design scheme for water quality monitoring. This system mainly through core MCU CC2530 realize design of sensor node,and using solar panels for power supply,at the same time design hardware circuit to collect temperature,pH value,and stability test is carried out on hardware circuit. At the same time,in IRA development environment, programming of sensor node and coordinator is carried out to communicate. Experimental result shows that average relative error of temperature and pH value is 3.06 %,1.64 % respectively,and improve monitoring precision.

wireless sensor networks(WSNs);water quality monitoring;sensor node;hardware platform

2014—07—22

北京市教委科研创新平台项目(201151)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0081—04

TP 212

A

1000—9787(2015)04—0081—04

闫宏浩(1988-)，男，天津人，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络。