基于无线传感器网络的智能水质监测系统设计

袁崇亮+亓相涛

摘要：该文设计的智能水质监测系统是一款基于无线传感器网络技术的智能水质监测平台。该智能水质监测系统核心控制模块采用S3C2440，协处理器采用stc89c54RD+单片机，stc89c54RD+单片机主要功能是辅助核心控制器模块S3C2440。该系统数据传输主要采用无线传感器网络技术，另设计WiFi、蓝牙、zigBee和GSM等技术作为辅助备用传输。系统核心控制器模块$3C2440A采用了Al

关键词：智能水质监测系统；无线传感器网络；$3C2440；stc89c54RD+单片机

随着社会经济的发展，工业化的深入，人类赖以生存的水体环境受到日益严重的危害，对于水源地的水质监测日益重要。而随着水质监测技术的发展，再加上为了节省人力物力成本，水质自动监测技术应用而生并在某些国家和地区得到了广泛的应用。智能水质自动监测技术作为信息时代智能化发展的产物，其主要表现为利用无线传感器网络、GPRS、数据库等技术将传统的水质监测设备设计为可以自动实时监测水质的水下智能机器人。其中这一整套技术系统则为本文中所设计的智能水质监测系统。文中将信息采集系统、数据传输系统、数据分析系统等有机结合在一起，并与互聯网和通信网络相连接实现对水质环境的智能监控。本文设计的智能水质监测系统主要采用无线传感器网络技术，通过系统终端设备中的各类传感器来采集水质环境中的各种信息，同时运用大数据平台进行后期数据分析，以此来达到对水质环境的智能化监测。在本文所设计系统中，用户可以使用手持移动终端设备进行对数据采集设备的远近程操控，极大地提高了水质监测环境的高效性和便捷性。

1系统总体框架设计

本文设计的智能水质监测系统主要采用无线传感器网络技术，通过系统终端设备中的各类传感器来采集水质环境中的各种信息，同时运用大数据平台进行后期数据分析，以此来达到对水质环境的智能化监测。同时，用户可以通过用户移动终端设备（如：电脑、手机等）对系统进行远近程操控。系统总体架构如图1所示。

在待监测的水质环境中各个需要监控的位置安装智能水质监测设备，每台设备通过安装不同用途的传感器，来实时监测水质信息。这些设备上的传感器采集到的水质信息会暂时储存在微控制器S3C2440中，然后控制器S3C2440芯片对采集到信息进行统一处理，存放到数据传输模块中，最后通过无线传感网络技术上传到服务器中。水质监测系统后台会将服务器中的数据进行调用，然后通过大数据这个平台，利用特定的算法进行数据处理，以此来预估未来某一时段的水质信息，达到“水质早知道”的目的。

用户可以通过用户终端设备进行观测和查看水质监测数据，以及查看分析处理后的水质信息动态变化图。同时，用户还可以利用用户终端设备，来控制设备在水中的位置，以详细的位置信息则会通过GPRS技术反馈到用户终端。

推送报警功能，用户可以提前设置一个数据指标范围，当水质指标超过这个推送报警范围时。设备会及时推送报警，向用户手机、电脑等智能终端发送推送报警信息和短信通知。

每台设备在水中可以独立的监测水质，也可以作为一个水质信息采集点，与多台设备利用无线通信技术，在HTFP、TCP或UDP通信协议下，形成一个大的自组织局域网络。此设计针对水域较广的地域，采集不同位置的水质信息，综合分析，是水质监测信息最终结果更加准确。

2系统硬件结构设计

在本文所设计的智能水质监测系统中，硬件是整个系统的基础，只有建立完善的硬件结构，整个系统才能稳定、准确的运行。在本文所设计系统中，我们采用模块化的硬件结构设计。此设计一方面可以简化其配置、降低设计风险、提高硬件的质量和可靠性；另一方面模块的不同组合能够满足用户的多样性需求。

2.1设备PCB原理图、电路板模块设计

2.1.1原理图设计

产品的硬件设计第一步为原理图设计，其分为两部分：数据处理主控模块与传感器采集模块。具体如图2，图3所示。

2.1.2 PCB设计

原理图设计完成后，依据原理图的划分电路板的制作也分为数据处理主控模块与传感器采集模块两个部分，具体如图所示。

具体工作原理：

当水质监测设备电量不足时，它就会浮出水面，利用太阳能电池板（1）进行充电，充电完成后，它会继续下潜回原来的位置进行水质监测工作。电路主控板（3）在潜行水质监测仪的中部，它是整台设备的技术核心，主要控制设备的正常运行工作。传感器在设备的最下端，主要来检测水质信息。根据不同的用途我们可以装不同用途的传感器，对此我们设置了传感器预留口，这样可以增加传感器数量，以备根据不同用途增加不同用途传感器。

进出水孔（5）在潜行水质监测仪的底部，设备下潜时会通过进水孔进水。以增加自身重量来达到下潜目的。上浮时，则通过上浮螺旋浆（6）来实现上浮。上内盖壳和下盖壳之前的空间为蓄水仓（2），这是用来调整潜行水质监测仪在水中的深度，从进水孔（5）进来的水会进入蓄水仓（2），以增加自身重量来达到下潜和调整下潜深度的目的。水平螺旋桨（7）采用异步电机，用来调整水平位置，两个电动机能异步转动，可以调整潜行水质监测仪水平移动时的方向

2.2S3C2440微处理器控制模块

S3C2440A采用了ARM920T的内核、CMOS标准宏单元、存储器单元以及采用了新的总线架构AMBA fAdvanced Microcontroller Bus Architecture）。由于AMBA低功耗、全静态、低成本，特别适合于像本文系统中所设计的这种小型终端设备的应用。

ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。$3C2440A通过提供一整套完整的系统外设，降低了整体系统成本。芯片如图9所示。

2.3传感器模块

传感器模块作为无线传感网络的重要组成部分，在无线传感网络中扮演着重要的角色，它主要负责信息的采集。在本文所设计水质监测系统中，它主要负责水质信息的监测与信息采集。以下是本文所涉及的几种常用传感器。

1）温度传感器

2）pH值传感器

3）浊度传感器

3系统软件结构设计

在本文所设计的系统中，我们将整个系统结构分为用户端模块和设备终端模块，其中用户端模块又分为手机端和PC端两个模块结构。用户端与设备终端主要通过无线传感网络以及GSM网络来实现通讯及数据传输，多个设备终端之间的信息交流则主要通过蓝牙、WiFi、ZigBee技术来实现数据通讯传输。系统后台可以将各传感器采集到的数据运用大数据平台进行分析、处理后反馈给用户端，用户可以通过用户端对数据进行查看，同时也可以对系统设备进行远近程操控，实现对设备终端的全方位控制。

3.1手机端模块软件设计

1）手机端模块设计结构

在本文设计系统中，我们采用分层结构设计的方法。从上到下共分为四层，分别是用户界面层、用户功能層、中间件层和操作系统层。其中中间件层又分为核心功能层和基础功能层。具体设计结构如图14所示。

2）手机端APP设计

手机APP设计界面，如下图所示，当用户登录APP后，可后台运行，多个水质监测设备可同时在线，用户可设置多种数据显示形式，分析结果直接在APP显示。同时也可提前设置数据警告范围，当超过数据警告范围时，推送报警信息会利用GSM技术发送到手机短信中。用户还可以直接控制设备。控制它在水中的运行。

3.2PC端模块软件设计

PC端登录成功后，PC端模块会通过无线传感网络与设备搭建连接，连接成功后，PC端界面会通过GPRS对其定位，同时显示当前已采集的水质监测信息。若用户要改变终端设备监测位置，则用户可以选择进入用户模式，进入用户模式后就可以直接发送前进、后退、左转或右转的指令到终端设备上，实现对终端设备的移动。用户如果不想直接控制，则可以选择终端设备模式，开启终端设备模式后，程序会进入接收设备主控模块指令状态，设备自动运行。PC端模块的登录界面以及成功登陆界面如图19、20所示。

4系统通信网络设计

本文所设计系统主要采用无线传感器网络技术，另设计WiFi、蓝牙、ZigBee和GSM等技术作为辅助备用通信，因考虑到系统的可扩展性和可维护性。本系统暂时只支持HTTP、TCP和UDP三种通信协议。

本文系统中的终端设备主要利用的是ZigBee无线传感网络技术来进行信息交流，WiFi、蓝牙、GPRS等网络技术作为备用通信网络。而终端设备和用户端之间则利用的是ZigBee无线传感网络、WiFi、蓝牙、GPRS、GSM网络来进行通信。其中不管是在微控制器之间还是微控制器和用户终端之间，ZigBee无线传感网络、WiFi、蓝牙、GSM网络等通信方式都可以随时切换，这样的设计保证了通信的稳定性。哪种通信方式坏了会随时切换到另一种通信方式。

1）GPRS/GSM网络技术

本文所设计系统中，关于GPRS/GSM系统模块，我们采用的是SIM300C。它是该系统模块中的核心模块，采用小巧外形的的工业化设计标准，几乎可以满足任何工业化的需求，尤其是对小型工业设备。同时，它支持GSM/GPRS900-/1800/1900MHz三频的低功耗模块，内嵌TCP/IP协议栈，可以提供高质量语音通信服务、SMS、传真信息和GPRSClass 10的高速数据传输服务。该设计主要用来实现终端设备与用户端的数据传输。芯片如图21所示。

2）WiFi/GSM网络技术

在本文所设计系统中，我们采用的是一种价格低廉、抗干扰能力强、传输速率快，基于IEEE 802.11标准的无线网络技术。在本系统设计中，WiFi模块可以与用户端（手机端、PC端）互联，也可以通过ZigBee协调器利用ZigBee网络与另一台设备互联，实现设备与设备、设备与用户终端、WiFi网络和ZigBee网络之间的数据互相传递。

3）ZigBee无线传感网络技术

ZigBee无线传感网络技术是一种价格低廉、功耗少、短距离、低数据传输速率的双向无线通讯技术。在本文所设计系统中，我们采用的是ZigBee（IEE 802.15.4），此设计主要用来设备与设备之间的短距离无线通讯、数据传输。

5结论

文中设计的智能水质监测系统主要采用无线传感网络技术，另设计WiFi、蓝牙、ZigBee和GSM等技术作为辅助设计来实现水质监测系统的实时性、动态性，并结合大数据平台分析处理后期水质监测数据，达到智能化监测控制效果。在本系统设计中，我们还采用了模块化、层次化设计方法，使得该水质监测系统，更具有稳定性、灵活性和兼容性。最重要的是，用户可以随时通过手机端、PC端等智能端，远程操控水质监测设备，以及时查看大数据平台分析后的水质监测数据。这极大地改善了水质监测技术的方便性、合理性。大大降低水质监测的成本。本文所设计系统符合当前的水质监测市场的发展方向，适合当前水质监测技术的发展。endprint