基于WSN的城市水资源监测系统节点硬件设计❋

齐　华，苏东阁，刘　军

（1.西安工业大学电子信息工程学院，西安710021；2.武警工程学院通信工程系，西安710086）

基于WSN的城市水资源监测系统节点硬件设计❋

齐华1，苏东阁1，刘军2

（1.西安工业大学电子信息工程学院，西安710021；2.武警工程学院通信工程系，西安710086）

城市水资源的污染已成为我国最为严重的环境资源问题之一，它严重影响了人民的生产生活与身体健康，制约了我国经济的可持续发展，因此设计出一种自动化、智能化、网络化的城市水资源监测系统势在必行。为了解决传统城市水资源监测手段的不足，提出了一种基于WSN的城市水资源监测系统，设计了面向城市水资源监测的WSN监测节点硬件部分。该节点硬件部分采用集成MCU＋射频收发芯片的SOC设计方案，选取CC2530射频芯片和CC2591作为其微处理器和无线通信模块，使其能对多种水质参数进行采集并上传到监控中心。实验结果表明，该节点运行稳定，可准确对被测水域水质参数进行实时采集。

无线传感器网络；城市水资源监测；嵌入式；传感器；CC2530技术；CC2591技术；ZigBee技术

1　引　言

无线传感器网络（WSN）由部署在待测区域内的大量微型节点组成，通过无线通讯方式形成一个自组织的网络系统，其目的是实时监测、感知采集节点部署区内使观察者感兴趣的那些感知对象的各种信息［1］。WSN综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域［2］。城市水资源监测主要包括对水质的PH值、温度、导电率、溶解氧、浊度、化学耗氧量（COD）、生化耗氧量（BOD）等各项指标进行监测，通过对这些参数的综合考察从而判断水质是否被污染，进而采取相应的防治措施［3］。无线传感器网络可以在长期无人值守的状态下工作，具有巨大的实用价值和广阔的市场前景。本研究设计网络节点，能够采集温度、PH值等数据，并能由无线收发器发给相邻节点或通过网络转发给服务器。城市水资源监测系统架构图如图1，系统主要由无线传感器网络和远程监控中心两部分组成。系统工作时，由分布在被测水域的大量传感器节点定时采集用户所需的水质参数（如温度、PH值、浊度、溶解氧、氨氮等），通过ZigBee技术将采集到的数据传输至网关节点，网关节点将接收到的数据进行融合处理得到被测水域各项水质参数的采样数据，并通过GPRS传送给数据服务器。远程监测中心从服务器获取数据，解析后以图形界面形式呈现给用户，同时将数据存储于数据库以便日后查询［4］。

图1　城市水监测系统架构图

2　无线传感器网络节点结构及器件选型

2.1无线传感器网络节点结构

无线传感器网络节点具有原始数据采集、数据信息处理、无线数据传输以及与其它节点协同工作的能力。因此，节点一般可以按照功能划分为四个部分，分别是电源模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块［5］。无线传感器网络节点的硬件组成如图2所示。

图2　节点结构框图

2.2器件选型

无线传感器网络节点作为小型嵌入式系统，要具有一定的数据、任务处理功能，同时具有低功耗、低成本、易于开发的特点，所以在器件选型时必须谨慎选择。

2.2.1处理器与射频芯片选型

处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5V，有较快的处理速度和能力，由于节点需要大量安置，所以价格也要相对便宜。处理器模块和无线通信模块采用CC2530芯片外加低功耗射频前端CC2591，用来放大输出功率，大大简化了射频电路的设计。能量供应模块采用2节可充电干电池，负责为节点提供能量。CC2530是本次设计的核心，它的性能指标对设计开发而言非常关键。它结合了高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器，用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。CC2530在单个芯片上集成了IEEE802.15.4标准2.4GHz频段的RF无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性，四种工作模式，具有32KB／64KB／128KB／256KB的可编程FLASH和8KB的RAM，集成了8通道12位模数转换的ADC，看门狗定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器，及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器，2个USART接口，21个可编程I／O引脚。硬件支持CSMA／CA功能，允许工作电压（2.0V～3.6V），具有数字化RSSI／LQ支持和强大的DMA功能，具有电池监测和温度感测功能。CC2530具有从休眠模式转换到主动模式的超短时间特性，能耗特小，特别适合那些要求电池寿命非常长的野外使用。

CC2591是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF前端，集成了开关，电感器，平衡／不平衡网络，交换机，匹配网络，PA功率放大器等功能。可将输出功率提高＋22dBm，接收灵敏度提高＋6dB。CC2591可与TI公司的所有2.4GHzRF收发器、发送器和SoC连接，大大改善了RF性能，实现用极少的外围电路实现高输出功率。

2.2.2天线选型

无线传感器网络各节点之间无线通信信号的收发功能是通过天线实现的。天线主要起到变换器的作用，它将导线上传送的导行波转换为电磁波，从而可以让信号在自由空间中传播，同时，它也能进行相反的转换，用于信号的接收。在面向城市水资源监测的无线传感器网络中，对天线在传输距离，方向性等性能指标上有以下几方面要求：

（1）天线相对来说体积较小，连接和安装比较简单方便；

（2）在天线垂直放置过程中，天线的传输方向范围能够360°传输；

（3）天线具有较高的增益，天线驻波比小于2，满足200米以内的通信需求；

为了使城市水资源监测系统具有高质量和稳定的通信性能，我们在设计时选取的是棒状天线。

2.2.3传感器选型

（1）水温度传感器采用Dallas公司推出的DS18B20数字式温度传感器，适合于恶劣环境的现场温度测量。只需单线接口，电路简单不需要AD转换器件和其它外围电路，缩小了节点体积，提高了节点的可靠性。

（2）PH值传感器选择的是P026W3型PH传感器，该传感器在玻璃感应电极头延长出一个冻胶体，冻胶填充的参考半电化池是密封的，无需重充电解质，可用于城市水资源监测中，维护简单，工作寿命长。

（3）溶解氧传感器选用美国GLOBALWATER公司的W Q401型溶解氧传感器，它是一款坚固耐用、值得信赖的溶解氧测量传感器，具有线性的4－20mA信号输出，采用三线配置，使用海洋级环氧树脂将电子单元完全封装在不锈钢外壳内。溶解氧传感器选用可拆卸的电极防护罩和可更换的溶解氧电极［6］。

3　无线传感器网络节点的硬件设计

3.1数据处理与传输单元

CC2530最基本的电路包括电源与晶振，其中电源包括数字电源DVDD、模拟电源AVDD、数字内核电源DCOUPL，这里数字电源和模拟电源用同一个电源VDD3.3V，并在电源上加了相应的瓷片电容，增强滤波和去耦性能。CC2530微处理器主晶振需要32M的频率，以供内部51内核工作，睡眠状态下则由32.768KHz的晶振来提供时钟。本节点采用CC2530F256芯片外接CC2591功放模块组成。CC2530处理器先把采集的数据信号进行模数转换，然后进行处理，通过CC2591功放芯片发给网关节点。CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚相应连接到CC2530的I／O端口P1_1，P1_4，P0_7，由单片机来控制。当HGM为高电平，表示CC2591接收数据时，LNA是高增益模式；当HGM为低电平，表示CC2591接收数据，LNA是低增益模式。而EN引脚和PA_EN引脚在CC2591正常工作时置为高电平，当其进入低功耗模式时，将其置为低电平，这样可以降低功耗［7］。该电路中选用的是棒状天线，其载频为2.4GHz，电路整个设计满足RF输入／输出匹配电阻（50Ω）的要求。其CC2530与CC2591硬件设计的主要部分连接原理如图3和图4所示。

3.2数据采集单元

3.2.1水温传感器电路

水温传感器DS18B20支持数据线供电方式（即寄生电源供电方式），此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量来完成温度转换，但是该方式完成温度转换的时间较长。所以本系统采用外接电源供电方式，该方式稳定可靠，测量速度较快，为了保证其测量精度，我们给其外接5V电压以满足本系统水温0.5摄氏度的采集精度。为了实现DS18B20高电平输出，需在IO口连接一个4.7千欧的上拉电阻，数据线DQ与CC2530的P0_7脚相连，通过烧入CC2530的程序就能读出DS18B20采集的温度数据。温度传感器电路图如图5所示。

3.2.2PH值传感器

本课题PH值传感器选择的是P026W3型PH传感器，如图6所示为其信号调理电路。P4为PH电极接口，信号输出后进入电压跟随器，电压跟随器主要起到隔离和阻抗转换的作用，R13、R14的阻值均为10兆欧，C28、C29为滤波电容。输出信号取R13与R14之间的电压值。设PH电极输入电压为Vin，输出端电压为Vout，与CC2530的P0.6相连，与PH值仍然呈线性关系。PH电极产生的电压Vin为0V－1.4V之间，在PH为7的溶液中，PH电极产生一个0.7V的电压，PH值每增加1，电压增加0.1V，PH值每减少1，电压降低0.1V，输出信号Vout范围在2.05V－2.75V之间。通过电路分析可知，Vout与Vin间的关系式如式（1）所示。PH值为0时对应的输出端电压Vout为2.05V，PH值为14对应的输出端电压Vout为2.75V。由于PH值与输出电压值呈线性关系，通过列方程可得PH值与输出电压的转换关系如式（2）所示。

其中K为转换系数，K=20，单位为1／V，b= 41，通过上式就可以将输出电压值转换为相应的0至14间的PH值。

图3　CC2530主要原理图

图4　CC2591主要原理图

图5　温度采集电路

3.3电源单元

电源模块为其他模块提供工作能源，考虑到节点布置于野外，供电不方便，因此选用移动电池组供电，提供5V直流电压，CC2530若要正常工作，需要3.3V供电电源，这就需要对电源输出的电压进行DC／DC降压处理。稳压芯片选取的是ASM1117芯片，其内部集成有过热保护和限流电路，精度为1%，将电池组送出的5V电压转换成节点正常工作所需要的3.3V电压［8］，电路如图7所示。

图6　PH传感器信号调理电路

图7　电压转换电路

4　实验结果

为了测试设计节点的覆盖范围及稳定性，将温度、PH值、溶解氧传感器分别连接至节点的相应端口，先通过串口调试助手测试数据的接收和发送情况，在数据发送接收正常的情况下，设置无障碍实验环境，测得点对点的通讯距离可达300m以上。同时构建最简单的星型网络。传感器节点与协调器节点相距300m，每发送完1次数据后，便进入休眠状态，5min后恢复，再次发送数据，连续监测2h。网关节点显示接收到的数据信息并将接收到的数据通过串口上传到PC机中。实验表明整个传输过程没有出现丢包现象，而且采集到的数据值准确，表明系统具有较好的可靠性和稳定性。为测试节点功能的准确性，我们模拟实验室水环境对水温，PH值和溶解氧进行测量。在进行水温采集测试时，我们取一个温度计来对水温数据进行对比测试；在进行PH测量时选取一个便携式的PH值测量仪用来在测试过程中对系统采集的数据进行对比测试。通过对测试数据进行分析，可以看出两个节点对水温采集的均值误差均小于0.5，对PH值采集的均值误差均小于0.05，溶解氧的测量精度达到0.5%满量程，具备了较高的采集精度，达到了系统的设计要求。

5　结束语

通过对无线传感器网络节点中传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源模块的研究，设计了一种以CC2530为主体的硬件方案，利用该方案设计了CC2530的外围电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行了设计。通过实验验证，设计的硬件节点达到了项目要求，经调试能通过传感器真实地采集数据，并实现两个无线节点在300m左右的通信和传输数据，并上传到监测中心。

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Design of Node Hardware of Urban Water Resources Monitoring system Based on WSN

Qi Hua1，Su Dongge1，Liu Jun2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi＇an Technological University，Xi＇an 710021，China；2.Dept.of Communications Engineering，China Engineering College of Armed Police Force，Xi＇an 710086，China）

The pollution of urban water resources has become one of the most serious resources and environment problems in our country，it not only affected the people＇s production，daily life and health seriously，also restricted the sustainable development of our country＇s economy.Thus，an automatic，intelligent and networking urban water resource monitoring system，based on WSN，is designed to improve monitoring of urban water resources.The hardware of WSN monitoring node in city water resource monitoring nodes，employing SOC design of the integration of MCU and RF transceiver chip and using the CC2530 RF chip and CC2591 as the microprocessor and wireless communication module，is put forward in this paper.A variety of water quality parameters are collected and uploaded to the monitoring center.The experimental results show that the nodes run stably and the water quality parameters can be accurate real－time acquired.

Wireless sensor network；Urban water resources monitoring；The embedded；Sensor；CC2530 technology；CC2591 technology；ZigBee technology

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.022

TN98

A

1002－2279（2016）01－0087－05

❋陕西省科学技术研究发展计划项目（2014K05－19）

齐华（1963－），女，陕西省咸阳市人，教授，研究生导师，主研方向：无线传感器网络、信息传输、信息处理、信息编码理论、电

磁兼容技术等研究和应用工作。

苏东阁（1987－），男，陕西省宝鸡市人，硕士研究生，主研方向：通信与电子系统设计。

2015－04－27