基于无线传感器网络的农村供水厂水质监测节点的设计

李亮斌，姜晟，王卫星,2,3*，陈华强，焦国辉(.华南农业大学电子工程学院，广东 广州 50642；2.国家生猪种业工程技术研究中心，广东 广州 50642；3.南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广东 广州 50642)



基于无线传感器网络的农村供水厂水质监测节点的设计

李亮斌1，姜晟1，王卫星1,2,3*，陈华强1，焦国辉1
(1.华南农业大学电子工程学院，广东 广州 510642；2.国家生猪种业工程技术研究中心，广东 广州 510642；3.南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广东 广州 510642)

摘 要：为解决目前农村供水厂监测所存在的无线通信障碍、污染预警滞后和成本高等问题，设计了一款无线传感器网络节点，用于组网实现农村供水厂水质的监测。节点以STM32F103ZET6为核心，WLK01L39射频芯片及其外围电路作为无线通信模块，传感器模块由美国ASI公司的水质溶解氧、pH、温度复合传感器以及Global Water公司的WQ730浊度传感器组成。为节点编写了通信协议、时间同步算法和应用程序。在软件设计上，节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。对节点的功耗和通信距离进行了分析和测试，组网试验结果表明，节点运行稳定可靠，组网系统在空旷地带有效通信距离达到500 m，节点平均工作电流低于50 mA，休眠电流低于25 μA。

关 键 词：无线传感器网络；农村供水厂；水质监测；节点设计

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农村供水厂采用传统的水质监测技术[1–2]，设备落后，水质超标已经严重影响了农村饮用水的安全。无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)作为一种新型的信息采集技术，已广泛应用于各种不同领域[3–9]。将无线传感器网络应用于农村供水厂的水质监测，有着广阔的应用前景。

无线传感器网络节点种类繁多，需对不同的监测环境特点进行设计研制。曹惠茹等[10]采用MSP430F1611单片机，同时使用CC110和CC2530射频芯片，设计了双频段层次结构的无线传感器网络汇聚节点，用于小范围通用检测，但是单个节点需配备双射频部分，使得成本增加。潘贺等[11]以JN5148作为无线微处理器模块，设计开发了水产养殖水环境监测系统，节点采用休眠机制，实现了系统的低功耗，但由于节点通信距离仅为70 m，可能导致网络规模以及连通性受到限制。李小敏等[12]根据水稻生长过程环境的变化因素设计了一款发射功率自适应节点，节点可根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率，降低节点功耗，但节点伴随着监测对象固定而产生了单一化监测的缺点。

笔者针对农村供水厂监测环境宽阔、太阳能充足且建筑障碍少的特点，设计了一种适用于农村供水厂水质监测的无线传感器节点，旨在实现无线传感器网络节点的远距离有效通信，能量自供给持续稳定运行，以满足农村供水厂水质监测的应用要求。

1　硬件系统

节点以自组织的形式构成一个完整的无线传感器网络，将农村供水厂监测环境信息通过单跳或多跳的方式传送到网关节点，并经网络发送至监控中心[13]，实现对农村供水厂监测环境信息参数的采集。无线传感器网络节点结构如图1所示。传感器节点主要由处理器模块、无线通信模块、电源供电模块和传感器模块组成，在传输过程中传感器节点还起中继转发作用，从而提高网络的连通性与可靠性。

图1　无线传感器网络节点的结构Fig.1 The structural of WSN node

1.1处理器模块

为了提升节点的运行性能，微处理器采用意法半导体(ST)公司出品的STM32F103ZET6。该芯片具有集成度高、外围模块丰富和低功耗等特点，其命令执行效率高，抗干扰能力强，同时支持待机休眠、底层驱动调度、数据集成和通信协议等功能。

1.2传感器模块

传感器模块主要负责采集农村供水厂监测区域内的相关数据信息。根据农村供水厂监测环境数据精度和现场应用要求，选择美国ASI公司的溶解氧、pH、温度复合电极和美国Global Water公司的WQ730浊度电极，实现对农村供水厂水质数据信息的测量采集。传感器如图2所示。节点如图3所示。

图2　复合传感器和浊度传感器Fig.2 Composite sensor and Turbidity sensor

图3　传感器节点Fig.3 Sensor node

1.3无线通信模块

无线通信模块采用高度集成远距离半双工微功耗的WLK01L39模块，自带CRC校验，因而具备强抗干扰和高灵敏度特性，能够较好地抑制农村供水厂监测环境对节点数据传输系统的影响。

1.4电源供电模块

传感器节点需要长时间工作，电源供电模块的设计对保证节点性能来说至关重要。供电模块采用10 Ah、12 V的锂电池组，12 V电源电压经降压转换器TPS62170降压至5 V，为传感器模块供电。同时，12 V电源电压经第2块降压转换器TPS62170降压至3.3 V，为处理器模块、无线通信模块供电，实现双电源系统供电[14]。利用太阳能电池板和控制器为锂电池组进行充电，以延长电源使用寿命。

1.5光耦开关电路

节点采取按需输出的供电模式，使用光耦合器PC817、FDN340P PMOS管组成光耦开关电路，如图4所示。当传感器模块需要执行数据采集任务，无线通信模块需要传输数据以及其他外设需要工作时，光耦开关电路控制输出电源电压5 V和3.3 V，同时起到了光电隔离效果；当节点进入休眠状态时，光耦开关断开电路，关闭电源输出。

图4　光耦开关电路Fig.4 Switch circuit of optocoupler

通过光耦开关电路按需控制电源管理和使用太阳能对供电模块充电，可有效延长节点的工作周期，有利于网络的持续运行。

2　软件系统

无线传感器网络节点的性能与其所组成网络的稳定性，都直接受到软件系统的影响。针对上述硬件结构平台，结合农村供水厂监测数据周期性强，区域干扰大，单次传输数据量少等特点，设计了一款基于C语言的对应要求的软件系统。

2.1通信协议的设计

降低能耗是衡量无线传感器网络通信协议的主要指标之一，对节点进行路由算法、网络时间同步和唤醒休眠机制进行合理设计，可延长节点的使用寿命，以达到低功耗的要求。

2.1.1网络同步时间设计

为了使整个网络时间达到同步，并且在完成多次发送、转发、休眠和唤醒后还能保持网络一致性，对网络同步时间进行了设计。节点在每轮网络数据接收发送完毕后，网关节点从服务器得到1个时间，再通过广播发送至网络各个节点。各节点接收到同步时间信息后，解析其内容，对自身的时钟进行修正并转发同步包，设定各自定时器后进入休眠状态。节点通过此网络同步时间设计，避免了经过多次唤醒休眠机制循环而可能导致的时间失步。

2.1.2数据传输方式设计

对于无线传感器网络来说，能量有限，所以大部分无线传感器网络节点都采用唤醒休眠机制来处理能量问题[10]。节点针对农村供水厂环境监测具体情况，设计实现了节点间的发送接收以及周期性唤醒休眠机制的数据传输方式，其过程如图5所示。

图5　节点数据传输时序Fig.5 Node data transmission time sequence

首先，节点1、2、3进入监听接收状态，根据预设时间长度按序进行数据发送，若节点1先发，临近节点2、3接收并进行数据处理和融合，监听接收时间完毕，各节点按序将融合处理后数据上传网关节点，然后等待网关的同步设置包，各节点根据同步设置包修改自身时钟并设置下次唤醒时间及监听接收时长和自身发送数据次序，最后节点转发同步设置包后进入休眠模式，实现周期循环。

2.2应用程序的设计

传感器节点的应用程序设计主要包括调用底层驱动、采集数据、发送接收数据包、数据融合处理。节点采取休眠唤醒周期性工作模式，节点启动初始化检测记录工作轮数，进行数据采集，然后根据固有节点号延时发送数据信息，若为多跳路径节点，则接收前端节点数据信息，同时进行本地登记，根据本地登记表判断是否已接收过此数据，从而进行数据融合处理，达到数据上传网关节点的时刻，各节点按固定序号表依次延时上传。在接收到同步设置信息包时，节点对自身参数及定时器设置并将其转发，最后进入休眠模式，等待下次定时器唤醒，再循环新一轮工作。

3　试验与结果分析

3.1节点功耗

传感器节点总体功耗与无线传感器网络进行数据采集的密度成正比，而就节点个体而言，功耗和硬件选型与设计又密不可分。节点功耗测试选用美国福禄克公司的Fluke 15B新型数字万用表，接入传感器节点电路，测量不同状态的节点电流，测量3次，取平均值，测得节点休眠状态的平均电流仅为23.47 μA，数据采集平均电流为32.42 mA，数据发送平均电流为36.63 mA，数据接收平均电流为22.37 mA。

3.2电池放电特性

节点采用10 Ah、12 V的锂电池组供电，内配稳压功能，当电池电压降至10 V，锂电池将停止输出，节点寿命结束。对不接太阳能电池板供电仅使用饱和锂电池组给节点进行供电测试，设置节点每8 min完成一轮休眠唤醒、数据采集、数据接收转发的周期性工作。

从节点首次工作到寿命结束，共进行了5 258轮休眠唤醒工作。为了保证数据完整性，将5 258轮的原始散点数据通过MATLAB软件进行了分层取样、移动平均平滑法处理，傅立叶拟合得出电池放电特性拟合曲线，如图6所示，电池电压从1 00～ 4 800轮供电为稳定状态，从4 800轮开始，呈快速下降趋势。若按照每30 min进行一轮周期工作，而节点绝大部分时间处于休眠状态，预计可持续工作约100 d，而当配备太阳能供电后，将可实现更长时间持续性工作，达到低功耗、寿命长要求。

图6　电池放电特性Fig.6 Discharge characteristics of battery

3.3节点有效通信距离

农村供水厂监测节点必须能远距离有效通信，根据此应用要求，在华南农业大学校区测试节点的有效通信距离，设置节点发射功率为10 dBm，周期性发送一次数据，发送和接收成功时点亮指示灯，根据激光测距仪以及卫星地图测距确认两测试节点间的直线距离，节点通信距离测试卫星图如图7所示。在两测试节点相距390 m和640 m时均能正常通信，测试结果表明，节点在空旷或少量障碍物地带实现了500 m的有效通信距离。

图7　节点通信距离测试卫星图Fig.7 Satellite map of nodes Communication distances testing

3.4网络可靠性

在实验室环境下，采用3个传感器节点与1个连接PC的汇集节点，进行了简易无线传感器网络组网试验测试，通过设定传感器节点每小时采集并发送一次数据，等待接收、融合处理其他节点数据包并转发，接收同步设置信息包后进入休眠状态，通过1个月共720轮循环测试，丢包率数据列于表1。

表1　数据传输的丢包率Table 1　Packet loss rate of data transmission

数据测得网络的平均丢包率为0.78%，测试期间网络数据未出现错误数据包。由此表明，网络连通性好，无死机，无故障，能连续稳定运行。

3.5节点性能

与Crossbow公司的Micaz 节点、成都无线龙公司的WXL07节点以及CE504节点[15]的性能进行比较(表2)，结果表明，本研究所设计的ScauG1节点，有效通信距离远大于其他3种节点。在保证通信畅通和造价不高于通用WSN节点的前提下，ScauG1节点能以最优节点数进行WSN组网。由此可见，ScauG1节点在农村供水厂组建无线传感器网络的应用中更具实用性及针对性。

表2　节点性能比较Table 2　Comparison of performances of different node products

4　结 论

为在农村供水厂监测环境构建网络连通性强、可靠性高的无线传感器网络，针对监测区域面积大、数据规律采集以及太阳能资源充足等特点，设计了一种具有休眠唤醒机制的农村供水厂监测节点。试验结果表明：节点有效通信距离可达500 m，休眠平均电流仅为23.1 μA，唤醒平均工作电流低于50 mA，仅靠锂电池组供电的工作时长约5 258轮数，如配备太阳能供电后能实现更长时间持续运行，组网测得网络通信有效畅通，平均丢包率为0.78%。

参考文献：

[1] 陈岩，闫云浩，谭婷，等．基于WSNs多参数水质监测的终端设计[J]．传感器与微系统，2014(10)：83–86．

[2] 闫宏浩，陈天华．水质监测无线传感器网络的硬件设计[J]．传感器与微系统，2015(4)：81–84．

[3] Yick Jennifer，Mukherjee Biswanath，Ghosal Dipak. Wireless sensor network survey[J]．Computer Networks，2008，52(12)：2292–2330．

[4] Riaz N，Ghavami M．Analytical performance evaluation of ultra-wideband multiple access schemes for different wireless sensor network application environments[J]．IET Communications，2009，3(9)：1473–1487．

[5] Panda Mrutyunjaya．Application of swarm intelligence based routing protocols for wireless adhoc sensor network[J]．Sensors & Transducers，2011，130(7)：48–60．

[6] Cionca Victor，Newe Thomas，Dadarlat Vasile Teodor. Configuration tool for a wireless sensor network integrated security framework[J]．Journal of Network and Systems Management，2012，20(3)：417–452．

[7] Pottie G J，Kaiser W J．Wireless integrated network sensors[J]．Communications of the ACM，2000，43(5)：51–59．

[8] 龙婧．无线传感器网络节点定位算法研究[D]．大连：大连海事大学，2013．

[9] 张强，孙雨耕，杨挺，等．无线传感器网络在智能电网中的应用[J]．中国电力，2010(6)：31–36．

[10] 曹惠茹，张晓军，陈放．基于双频无线传感器网络汇聚节点设计[J]．仪表技术与传感器，2014(3)：55–57．

[11] 潘贺，关久念，李太浩．基于无线传感器网络的水产养殖水环境监测系统设计与试验[J]．中国农机化学报，2014(5)：246–250．

[12] 李小敏，臧英，罗锡文，等．基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计[J]．农业工程学报，2014(7)：140–146．

[13] 蒋建明，史国栋，赵德安，等．水产养殖参数无线测量网络的长生命周期研究[J]．农业工程学报，2014(7)：147–154．

[14] 姜晟，王卫星，孙道宗，等．能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计[J]．农业工程学报，2012(9)：153–158．

[15] 王卫星，罗锡文，孙道宗，等．茶园信息采集无线传感器网络节点设计[J]．农业工程学报，2011，27(5)：169–173．

责任编辑：罗慧敏英文编辑：吴志立

Design of wireless sensor network node for monitoring water quality of rural water supply plant

Li Liangbin1, Jiang Sheng1, Wang Weixing1,2,3*, Chen Huaqiang1, Jiao Guohui1
(1. College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2. National Engineering Research Center for Breeding Swine Industry, Guangzhou 510642, China；3. Key Laboratory of Key Technology for South Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China)

Abstract:A wireless sensor network (WSN) node is designed for monitoring of rural water supply plant in order to solve the problems of wireless communication barrier, postponed pollution warning and high cost, etc. The node uses a STM32F103ZET6 as a processing core, a WLK01L39 RF chip with peripheral circuits as wireless communication module, and a sensor module consisting of a mutifuctional sensor from American ASI for dissolved oxygen , pH, and temperature, and a WQ730 turbidity sensor from Global Water. The communication protocol, time synchronization algorithm and application program are designed for the node. A sleeping and waking up work mode is applied to reduce power consumption. The communication distance and power consumption of the node were tested and analyzed. The results showed that the node works stably and trustfully. The available communication distance is up to 500 m in the open areaThe average working current is lower than 50 mA as well as a sleeping current lower than 25 μA.

Keywords:wireless sensor networks; rural water supply plant; low power consumption; node design

中图分类号：TP212.9

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)02−0212−05

收稿日期：2015–08–30 修回日期：2016–01–19

基金项目：国家星火计划项目(2013GA780046)；广东省水利科技创新项目(2014–17)

作者简介：李亮斌(1990—)，男，广东东莞人，硕士研究生，主要从事无线传感器网络、电子信息技术在农业上应用研究，liliangbin@stu.scau.edu.cn；*通信作者，王卫星，博士，教授，主要从事无线传感器网络、电子信息技术在农业上的应用研究， weixing@scau.edu.cn