基于无线射频和PLC的智能水质监测系统

陈亚轩，王宜怀，柏 祥

(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州215006)

基于无线射频和PLC的智能水质监测系统

陈亚轩，王宜怀，柏 祥

(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州215006)

针对水质监测工作的特殊环境，将电力载波通信和无线射频相结合，设计了一种新型智能水质监测系统。系统采用KW01与SSC1641进行组网，实现基于无线射频模块与电力载波模块的有效通信模式，并基于此模式设计了由传感器节点、根节点、控制集中器以及主控计算机组成的整体监测系统。实验结果表明，该控制系统通信稳定、实时性高、成本低且易于实现，具有良好的应用前景。

电力载波通信；无线射频；水质监测系统

水质监测作为水污染控制的基础工作，为水环境的管理、污染源控制以及环境规划提供科学依据。随着水污染的加剧和水环境治理需求的增加，水质监测已经成为环境管理的一项重要工作。

作为水质监测的系统工具，水质监测系统应满足准确性、实时性、远程化以及智能化的要求。目前国内外关于水质监测系统的研究多数采用无线射频(Radio Frequency，RF)技术[1]，在一定程度上可以达到该要求，但是受湖泊周围多变的自然环境因素的影响，无线传输的信号质量较差，准确性较低。此外，这种系统多数需要带GPRS的主控器，设计成本高，再加上网站的维护费用，大大提高了系统设计的成本。

相比于无线射频技术，电力线载波 (Power Line Carrier，PLC)通信能够利用现有的电力线进行数据传输，无需重新架线，而且，电力载波模块的价格远远低于GPRS模块，也不会产生后续收费，大大降低了成本，已经广泛应用于智能家居控制、远程路灯监控、智能抄表等系统当中[2-4]。然而，多数湖面无电力线覆盖且架设电力线难度较大，因此，本文将电力载波通信和无线射频相结合，提出了一种基于无线射频和PLC的智能水质监测系统。

1 控制系统的组成及工作原理

基于无线射频和电力载波的智能水质监控系统如图1所示，系统由主控计算机、控制集中器、根节点和传感器节点组成。

图1 智能水质监控系统结构

传感器节点分布在湖面之上，负责水质数据的采集，将采集到的数据利用无线接口发送给根节点，根节点收到数据进行处理，再通过电力载波通信接口将数据信号进行调制、放大，最终耦合到电力线上，控制集中器在电力线终端接收数据，经滤波、解调后，通过串口直接将数据发送给主控计算机。

2 硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点是最小的功能单位，负责水质数据的采集、处理和传输，它的设计应当以低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标[5-6]，至少具备以下几个功能：(1)能够采集相关的水质数据；(2)数据预处理和定时传输；(3)组建低功耗无线网络；(4)微控制器与传感器分离。本文设计的传感器节点由传感器模块、KW01模块和电源模块组成，如图2所示，传感器模块负责采集水质数据，并将采集到的数据转换成电信号发送给主控芯片KW01进行AD转换，KW01中AD模块的采样精度最高为16位，选取的参考电压为3.3 V，则我们可以检测到的模拟量最小变化为3.3/216=0.05 mV，为了使采样的数据更准确，KW01采用均值滤波法对采样的数据进行筛选并去掉误差较大的毛刺。KW01模块是传感器节点中的核心模块，内部集成了CPU、存储器、AD模块和输入输出等接口，用于实现数据处理、存储以及收发等功能。电力模块为传感器模块和KW01模块供电，由于传感器节点常被置于湖面之上，无持续的电力供应，故采用电池供电的方式。

图2 传感器节点

KW01是飞思卡尔于2013年推出的首款融合了ARM Cortex-M0+内核与Sub-1G射频收发器的32位无线射频芯片，具有低功耗、高性能、高集成度等特点，拥有有广阔的市场前景和较高的应用价值。

2.2 根节点

根节点用于接收各传感器节点发来的数据，经过整合与处理后输送到电力线上。为了避免根节点因频繁转发数据而出现问题，系统设定了数据采集的时间间隔，当达到数据采集的时间段时，传感器节点才会进行水质数据的采集并发送给根节点，其余时间根节点与传感器节点处于低功耗状态，延长了使用寿命。根节点包含无线射频芯片KW01和电力载波芯片SSC1641，其部分接线如图3所示，RST为复位端；SCL为I2C串行通信时钟输入端；SDA为I2C串行通信数据输入/输出端；R_LED和S_LED为收发控制端，当芯片接收数据时，R_LED处于高电平，并控制相应的指示灯亮，当芯片发送数据时，S_LED处于高电平，并控制相应的指示灯亮；RX和TX是串行通用接口输入/输出端。KW01与SSC1641的通信方式有两种，分别为I2C串行通信和串行通用接口通信，由于SSC1641具有自适应串口波特率的特性，故本设计采用了串行通用接口进行通信。

图3 KW01与SSC1641连接图

2.2.1 KW01外围电路

KW01的外围电路仅由写入器接口、电源模块、射频电路、调试串口、复位电路组成，设计简单，但功能齐全。在KW01的硬件设计中，以射频电路的设计尤为重要，这里重点说明。

根据信号放大、阻抗匹配、频率筛选、硬件构件化等多个射频电路的设计要素，给出了如图4所示的无线射频电路的设计方案。VR_PA(RF)引脚输出的电压，通过一个交流阻断模块，为收发器的功率放大器提供波动较小的电源。当工作在单天线模式时，KW01主要通过RFIO引脚进行无线信号的收发。发送无线信号时，调制好的信号经RFIO进入一个由椭圆滤波器构成的选频电路，将无线信号限制在规定的频率范围之内，然后通过一个特性匹配网络来获取最高的天线效率，提高信号增益，最后通过天线发送到空中。无线信号的接收过程与之相反。

图4 RF射频电路

2.2.2 SSC1641外围电路

SSC1641是青岛东软载波科技股份有限公司研发的一款专门为电力线介质作为通信信道而设计的电力线载波通信芯片，具有自适应速率、功率调整、自适应报文分帧等功能。SSC1641的外围电路由EEPROM存储、收发滤波和信号耦合等电路构成，设计简单高效，具有通信可靠、低成本、低功耗、外围器件少等特点。

SSC1641外围电路设计的重点与难点是信号耦合及收发滤波电路，如图5所示。在输出滤波电路部分，信号经SSC1641芯片扩频后由SSCOUT_A引脚进入输出滤波电路，再经过一个带通滤波器使传输信号达到电力线通信的谐波要求，最后通过耦合电路将信号输出到电力线上。其中，D21和D22是保护二极管，起到电压钳位的作用，抑制电力线上的干扰信号对内部电路的冲击；C20和L3组成串联谐振带通滤波电路，当输出大电流时，不会使载波信号严重失真，同时，当处于输入状态时，可以消除部分带外干扰，保护放大电路。

图5 信号耦合及收发滤波电路

图5中接收滤波电路部分，F1是12 V的瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor,TVS)，用于消除来自电力线上的高频的干扰，保护内部电路；D11和D12是一种倒置并联结构，利用二极管的正向导通电压的特性来钳位这两个二极管所在处的电压，防止在输入到载波芯片的电压过高而损坏芯片。接收数据时，电力线上的信号经耦合电路进入接收滤波电路，最后通过SSCIN引脚进入SSC1641芯片，进行解调操作。

耦合电路用于隔离高压的工频交流电，图5中的耦合电路主要由耦合线圈T1和电容C11组成。

3 软件设计

3.1 KW01与SSC1641通信帧协议的设计

KW01与SSC1641通信采用异步半双工的工作方式，为了确保数据传输的可靠性，采用主从通信方式，由主机发起通信，从机通过中断接收，然后解析数据帧后进行指定操作，并发送反馈帧给主机，主机收到反馈帧后再发起新一轮的通信。KW01与SSC1641通信帧的格式如表1所示。

表1 帧格式

上述通信帧格式中的帧起始符表示一个帧的开始，其值68H。地址域由6个字节构成，每字节为2位BCD码，地址长度可达12位十进制数，确保了每个节点都拥有唯一的通信地址。控制码表示数据帧的作用，不同的控制码对应不同的命令。数据域长度为数据域的字节数，=0表示无数据域。数据域DATA包括数据标识、密码、数据、帧序号等，其结构随控制码的功能改变而改变。校验码CS采用和校验方式，计算从第一个帧起始符开始到校验之前所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。帧结束符表示一个数据帧的结束，其值为16H。节点在收到数据帧之后，首先判断数据帧是否完整，再根据校验码判断数据包是否出错，若数据帧不完整或者产生错误则丢弃，若正确则进行解帧操作，查看目的节点地址，以确认是否是需要处理的数据帧，若是则处理，若不是则丢弃。

3.2 节点的软件设计

基于CodeWarrior集成开发环境进行节点的软件开发，采用C语言编程，软件的设计采用构件化思想以提高软件的可重用性和可移植性[7]。软件流程如图6所示，设计主要包括芯片初始化、节点类型的判断、数据的采集及处理、数据的收发等模块的设计。

4 实验结果

对本文设计的水质监测系统进行了测试实验，实验所使用的传感器节点集成了温度、pH值、溶解氧、电导率、浊度、氨氮等多个传感器。对实验进行了全天的监测，并将系统监测数据与相关仪器测量的数据进行了对比，部分数据对比结果如表2所示。同时对无线通信的可靠性进行了测试，部分测试结果如表3所示，结果表明100 m以内的通信具有很高的可靠性，已足够满足水质监测系统的使用。

综上所述，该系统通信可靠、运行稳定，实现了基于RF和PLC的水质监测控制。最后将设计的控制系统应用于某湖水的质量检测中，取得了较好的效果。

图6 软件流程

表2 部分系统监测数据与相关仪器测量数据对比

表3 部分通信测试结果

5 结束语

运用电力载波通信和无线射频相结合的技术进行水质监测系统的设计，极大地提高了系统的监控和管理水平，节约了成本。系统的实验结果和实际应用均表明了该系统的高效和灵活。两种技术相结合的方式弥补了单方技术的缺陷，将优势发挥到最好，所设计的系统兼容性好、稳定性高、投资少，有利于推广，并且为水质监测系统的设计提供了一种新的思路。

[1]杜治国.基于无线传感器网络的水质监测系统设计[J].计算机工程与设计，2008，29(17)：4568-4570.

[2]陈凤.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37(22):188-195.

[3]贺玲，吴建德，邓焰.基于MCU控制的HBLED智能照明系统设计[J].电源技术，2010，34(5)：509-512.

[4]汪义旺，张波，吴铄.基于电力载波通信的LED隧道照明控制器设计[J].电源技术，2011，35(8)：985-987.

[5]夏宏博.面向水环境监测的无线传感器网络监测节点设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

[6]席冬冬.基于WSN水环境监测节点设计[D].天津：天津工业大学，2013.

[7]荐红梅.基于硬件构件的嵌入式底层软件开发方法研究及其应用[D].苏州：苏州大学，2008.

Water quality monitoring intelligent system based on RF and PLC

Aimed at the special environment of water quality monitoring work,a new intelligent water quality monitoring system was proposed based on RF and PLC.The KW01 and SSC1641 was used for networking to implement an effective communication model based on RF module and power line carrier module.On the basis of the model,an integrated monitoring system with the composition of sensor node,root node,control concentrator and host computer was designed.Experimental results show that this monitoring system has stable communications,high real-time,low cost,easy implement and fine application prospect.

power line carrier;radio frequency;water quality monitoring system

TM 711

A

1002-087 X(2016)06-1293-03

2015-12-15

国家自然科学基金资助项目(60871086)

陈亚轩(1989—)，男，江苏省人，硕士，主要研究方向为嵌入式系统应用。