面向水环境的无线实时监测系统设计

顾敏明++雷岩++肖金球

摘 要：针对传统水环境监测实时性差、耗费劳动量大、监测面积小等缺点，设计了面向水环境的无线实时监测系统方案。该方案由数据采集节点、3G网关节点和数据服务器三部分构成。采用CC2530芯片及CC2591来实现节点的数据采集和ZigBee无线数据传输；采用华为EM770模块实现3G网关与数据服务器的3G通信。理论分析和实践表明，该方案可实现水环境的24小时不间断监测，并具有较好的实时性及便捷性。

关键词：水环境监测；ZigBee；3G；实时监测

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

水环境监测是水资源保护的必要环节，目前的水环境监测方法主要包括：人工采样监测法、水质监测站监测法、水生物监测法等[1]。这些传统的监测方法具有各自的优缺点，但均不能进行大面积大范围全天候的实时监测。无线传感器网络作为一种用来感知环境的网络系统，在环境监测领域的应用越来越广泛。利用无线传感器网络技术来进行水环境监测，能够很好地克服传统水环境监测方法实时性差、耗费大、监测面积小等缺点。

1 系统整体设计

面向水环境的无线实时监测系统整体设计框图如图1所示。本系统分为 3 部分：监测水域内的监测节点、监测水域内的3G（WCDMA）网关节点和数据服务中心。

图1 系统整体设计框图

布置在监测水域的多个数据采集节点动态地组成传感网络（WSN），每个数据采集节点都能够采集水的 pH 值、溶氧量 、电导率和水温等多种参数，并对采集的参数做线性化、数据打包、存储等处理，并将数据传送至3G网关节点；3G网关节点将收到的数据通过 WCDMA网络传输到数据服务中心；数据服务中心对不同水质参数进行处理和分析，对水质量急剧变化的情况及水质污染情况进行报警，为水环境污染、富营养化等情况的防治提供支持和决策；数据中心用户通过 Internet 实现对待监测水域进行实时监测，对于紧急情况3G网关将发出实时的GSM短信给监测单位负责人。

2 系统硬件设计

2.1 采集节点的硬件设计

数据采集节点的硬件部分主要包含水质参数检测装置/传感器、处理模块、射频模块和野外供电系统四部分，数据采集节点硬件结构如图2所示。采集节点处理模块由TI 公司生产的片上系统芯片CC2530、系统时钟电路、Debug电路和运行状态指示灯组成。CC2530芯片控制感知模块和射频模块用以实现数据采集和ZigBee网络数据传输。Debug调试接口电路和运行指示灯用于系统调试和指示。为了有效提高无线通讯的质量，增加通信距离，数据采集节点增加了射频模块，采用TI公司研制的CC2591芯片。CC2591是一款高性价比和高性能的2.4 GHz射频前端芯片，适合低功耗、低电压的2.4 GHz无线应用[2]。它主要集成了功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、平衡转换（Balum）等多种功能的电路，大大降低了外围电路的设计难度，同时也改善了射频（RF）性能。

感知模块共采用5种类型的传感器，包括电导率传感器、pH传感器、浊度传感器、氨氮传感器和溶解氧传感器。其中，电导率、pH传感器、浊度传感器通过设计信号调理电路将传感器的输出信号调理到CC2530的AD能够监测的范围，氨氮传感器和溶解氧传感器则通过RS 485接口与CC2530 的UART口相连。监测系统主要安装在野外，没有电源提供。

2.2 野外太阳能供电系统设计

野外太阳能供电系统能提供稳定的电源，可保证电路系统的运行。供电系统包含了能量采集、充电管理、锂电池保护电路、稳压电路以及锂电池五个部分。能量采集模块选择6 V/10 W的太阳能电池板。采用3.7 V/6.6 Ah的锂电池作为能量存储模块。太阳能充电管理芯片采用CN3065芯片，太阳能充电管理电路设计如图3所示。输入端D1、D2采用肖特基二极管SS26，用来降低太阳能光伏电池的输入电压。D4、D5为充电指示灯。当正常充电时，CN3065的引脚输出的是低电平，状态指示灯D4亮；当充电结束后，CN3065的引脚输出的是低电平，状态指示灯D5亮。电阻R1是用来设置恒流充电时的电流ICH，根据公式 ICH=1 800 V/ R1，其中R1的单位为Ω，实际使用中网关节点和数据采集节点的功耗不同，数据采集节点R1=3.6 kΩ，网关节点R1=1.8 kΩ。

图3 太阳能充电管理电路设计

2.3 3G网关节点的设计

3G网关节点硬件电路包含有ZigBee通信模块、处理器模块、3G模块和野外供电系统（电源模块）四部分。处理器模块的主控芯片采用TI公司的MSP430F149单片机，它是一款16位单片机，具有低功耗、低电压供电等优点[3]，还集成了丰富的外围接口，能够满足网关节点的设计要求。3G模块主要负责与远程数据服务器进行数据通信，且具有短信发送和接收功能。监测系统中3G模块采用华为公司生产的EM770W，它内嵌TCP/IP协议，支持WCDMA协议规定的标准AT指令集[4]。MSP430单片机提取需要发送的数据，并通过UART接口控制3G模块，将需要的数据发送给远处的数据服务器。

2.4 EM770W模块接口电路

EM770W无线模块支持2个UART接口，其中UART1支持带流控功能的全串口，可支持数据服务，用户可以从UART1发起PPP拨号，数据业务模式UART2 支持5线制串口模式，不支持数据业务和收发AT命令等，但可以支持收发DIAG命令[4]。因此采用UART1接口与MCU相连。设计MSP430单片机与EM770W的UART1接口时使用了UART1_TX，UART_RX两个信号，具体的连接如图4所示。EM770W模块与MSP430单片机连接时，需要在MSP430单片机的P3.6/TXD管脚间加1 kΩ电阻，以避免因为电平不同造成I/O口损坏。

图4 MSP430与EM770W的UART1的连接

野外供电系统提供了电压为3.7～4.2 V的电源供给EM770W无线模块。当网络信号很弱时，天线以最大功率发射，3G模块的瞬态最大电流有1.6 A。防止WCDMA大功率发射时电压可能会跌落，在EM770W模块的电源端口与地之间连接较大的超级电容，通常在1 800 μF以上。EM770W模块采用了特性阻抗为50 Ω的吸盘天线。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee网络系统

目前用于ZigBee网络的操作系统很多，如TinyOS、MantisOS、LiteOS等。采集节点操作系统使用TinyOS。该系统是美国UC Berkeley（加州大学伯克利分校）研究人员专门针对ZigBee网络研发的开源操作系统。系统采用轻量级线程、两层调度方式、事件驱动模式、主动消息通信等技术，有效地提高了传感器节点CPU的使用率[5]。TinyOS开发的应用程序都是由一系列的组件共同构成的，组件之间通过接口（Interface）相连接，并由此实现调用。接口声明了一系列命令（command）处理程序和事件（event）处理程序。

ZigBee网络中的采集节点和主节点的通信使用TinyOS系统中活动消息（PlatformMacC）模型，活动模型组件PlatformMacC包含了路由层及以下的协议。PlatformMacC包含的主要功能有：CSMA/CA、链路层重发、重复包判断等机制。CSMA/CA机制使节点在发送数据之前首先去侦听信道状况，只有在信道空闲的情况下才发送数据，从而避免了数据碰撞，保证了节点间数据的稳定传输。链路层重发机制是当节点数据发送失败时，链路层重发，直到发送成功或重发次数到达设定的阈值为止，提高了数据的成功到达率；重复包判断机制是节点根据发送数据包的源节点地址及数据包中的数据判断该包是不是重复包，如果是重复包，则不处理，防止节点收到同一个数据包的多个拷贝。

3.2 采集节点软件设计

采集节点承担着数据采集、发送等工作，由于野外监测系统中能量供给有限，采集节点的工作方式采用休眠和侦听的方式。采集节点开启后，请求加入主节点建立的ZigBee网络，并上传节点ID。当加入网络成功后，主节点会广播定时器清零命令，以达到各个节点的休眠时间同步。采集节点设定定时器后进入休眠状态。节点由定时器超时任务触发自动苏醒，每一次醒来后采集数据并且向主节点发送采集数据，当数据发送成功后采集节点进入休眠状态。采集节点程序流程如图5所示。

图5 采集节点程序流程图

4 3G网关节点软件设计

4.1 3G网关整体设计

3G网关节点软件设计主要是为安全实现ZigBee协议与TCP/IP协议的转换使采集节点采集到的实时水环境参数及时传送到远程服务器；3G网关节点长期在野外运行，为提高系统的可靠性，设计3G网关自我故障的监测和SMS报警的功能。3G网关节点的软件框架如图6所示。3G网关节点软件主要包括：主程序及系统初始化、ZigBee驱动和数据接收、3G驱动和数据收发、系统故障自检和处理及SMS短信接收和发送。

图6 3G网关节点的软件框架

4.2 3G网关ZigBee主节点模块程序设计

3G网关ZigBee主节点模块承担着收集ZigBee网络中采集节点数据，并传输给网关处理器的工作。TinyOS中主节点通过低功耗监听（Low-Power Listiening，LPL）技术实现无线电的低功耗收发[6]。采用低功耗监听技术时主节点不会一直开启无线模块，而是每隔一段时间开启无线模块且保持无线模块开启的持续时间只够检测信道上的一个载波。如果检测到一个载波，就会保持无线模块开启时间足够监听到一个数据包。主节点开启初始化后，创建ZigBee网络，创建完后进入低功耗监听状态，等待采集节点的数据包。当接收数据报文时将其发送给3G网关处理器。主节点程序流程如图7所示。

图7 主节点程序流程图

5 系统测试

为了验证系统的性能对苏州科技学院内小河的水质进行了24小时监测。在内河边安装了4个数据采集节点和一个3G网关节点构成了水环境监测系统实物如图8所示，实时监测了pH值、溶解氧等参数。3G网关将各个数据采集节点采集的数据传输到数据服务器。

测试结果表明，监测系统能够稳定运行，可以实现水环境参数24小时实时监测和可靠的数据传输，图9所示为24小时的溶解氧测量曲线，由图可见，溶解氧值变化正常。系统可以完成对水质数据超标预警和水华预警等功能。

图8 监测系统测试环境 图9溶解氧和pH值测量曲线

6 结 语

将无线传感器网和3G技术应用于水环境的实时监测中设计了面向水环境的无线实时监测系统，实现了大面积大范围的实时在线水环境监测。系统的维护成本低，能够满足实际要求，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 陈华凌，陈岁生，张仁政. 基于Zigbee无线传感器网络的水环境监测系统[J].仪表技术与传感器， 2012（1）：71-73.

[2] TIIncorporated.CC2530F5137datasheet[EB/OL].（2010-02-01）www.ti.com.

[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2000.

[4]王凤林.基于WCDMA的无线传感器网络的应用研究[D]. 苏州：苏州大学， 2010.

[5]潘浩，董齐芬，张贵军，等.无线传感器网络操作系统TinyOS[M].北京： 清华大学出版社， 2011.