基于ZigBee的水质监测系统研制及复杂环境下在线测试

赵军　林瀚刚　西热娜依·白克力

摘要：许多水产养殖基地仍然采用人工监管的方法，这种方式存在检测周期长、实时性差、效率低等缺点。为解决上述问题，基于ZigBee技术研发一个用于水质检测的无线传感网络系统。该套系统所涉及到的数据传输和无线传感网络的构建均通过协议栈的接口函数（API）实现，配合传感节点软件的使用来实现数据的采集与管理，实验采集的参数包括水的pH值、溶解氧值和电导率值。由于实地测试环境恶劣多变，故自主设计一套系统的PCB结构外观。通过3个月的实地测试，该套系统可以顺利采集各个参数数据，并进行传输和处理。通过对采集参数与实际值对比，传感器的相对误差绝对值较小，pH值、溶解氧值和电导率值的相对误差绝对值分别为0.49%、1.72%和0.23%。实验结果表明系统具有优良的合理性与准确性，设计科学，工作稳定。

关键词：水质监测；ZigBee技术：无线传感器网络；PCB结构

文献标志码：A 文章编号：1674-5124{2018）05-0067-04

0引言

近年来，随着人口的快速增长、国民经济的迅速发展，随之而来的是生活环境的恶化、资源的日益枯竭以及自然灾害的频发，这都会对水资源体质量以及国民的生产和生活造成巨大的影响。实时检测水质才能很好地实现对水资源的维护。

目前我国现有的水质监测管理制度还不够完善，依然存在工作实效不高、投入成本过高、能源损耗大以及后期维修麻烦等问题。特别在我国许多临海水产养殖场，解决海水对系统设备的腐蚀和恶劣天气导致的设施损坏也是一个巨大的考验。无线传感器网络的使用则正好可以克服这些问题，且具有智能性高、区域覆盖面积广等优点，所以，无线传感器网络在水质监测领域的应用日渐受到重视。黄建清利用nRF905射频芯片实现了参数的无线传输，搭建了一套水质实时监测系统。郭敏将采集到的数据通过GPRS DTU技术发送到服务器，完成了嵌入式终端连接网络。

基于ZigBee无线传感器网络（wireless sensornetwork，WSN）的水质监测系统具有一系列优点，例如：具有较宽的监测面积、系统能够自动构成网络、开发成本不高、能高效工作以及对水域的环境影响小等，容易对大范围水域进行监控。该文运用ZigBee开发的水质监测无线传感系统，设计软件方案，实现对水质实时监测，借助无线传感网络，收集的样本可以被送到检测中心。通过实验验证，该系统能够完成对水质数据的收集、传输和整理。

1系统方案设计

本系统遵从标准IEEE802.15.4和协议ZigBee2007，系统配备的节点软件主要功能是用于实现水质的检测。该套系统的软件是用协议栈的接口函数（API）来做支撑，实现对ZigBee的控制和数据的传输，软件的构成包括传感节点软件和无线网关节点软件。通过编译传感器节点程序来完成水质参数的采集，数据的远程发送与接收则是通过AT指令来控制GPRS无线网络模块来实现，最终数据将被存储至云服务器。本系统的总体结构如图1所示。

1.1传感器节点软件设计

对于实时采集各参数的数据信息要依靠传感器软件节点来完成，将采集的数据信息用多跳的方式通过ZigBee无线传感网络发到无线网关。给传感器节点上电并初始软件，软件会不断检测是否有可加入的无线网，节点会在ZigBee搭建的Mesh无线网络中根据无线网络的PanID向协调器申请加入网络，通过请求后即成为该网络的子节点。当传感器结点加入无线网后，定时器就开始工作，此时就会对数据进行采集，采集完成的数据会被打包成传输格式的文件，然后通过网关进行发送。组成系统软件的重要部分——传感器节点软件，该软件由ZigBee通信、数据采集和存储的处理等构成，处理逻辑如图2所示，系统中所涉及的数据采集均由对应的pH传感器、水溶解氧传感器和电导率传感器来完成。

1.2传感器节点硬件设计

传感器节点的工作是采集和存储数据，但传感器采集的只是模拟信号，存储数字信号，因此必须设计硬件电路进行模数转换。先将最初采集的模拟信号送人调解电路，进行放大、滤波后再将整理过后的模拟信号送入模数转换器（这里用到的是CC2530芯片）进行模数转换，处理后的数字量则会由12C总线保存到E²ROM中储存，同时把数据发送至无线射频模块。

电导率、pH值和溶解氧的传感器则都是通过RS-485信号来进行通信，各传感器指标如表1所示。

1.3无线网关节点软件和上位机软件设计

无线网关节点软件设计的主要目的是负责组建ZigBee网络、接收通过网络传输来的数据，并将数据经过一系列的处理后通过GPRS模块发送至上位机。无线网络搭建首先给网关节点供电并初始化相关的内部协议栈和外设，最后再由ZigBee协调器来搭建起整个无线网络。整个工作流程如图3所示。

无线网关节点软件由ZigBee协调器和处理器构成。处理器模块软件的功能是使数据能通过串口与ZigBee协调器模块进行接收操作，并进行一些简单的处理，数据处理完成后将被发送到GPRS模块。ZigBee协调器的作用是构建和维护无线网络，其构建Mesh无线网络是借助ZigBee协议栈的应用层串口来实现的。它可以实现节点的入网请求，并为节点配置一个网络地址，该地址长度为16位，接收由整个系统传输的各个参数。

远程上位机的参数管理界面采用C#进行开发设计，实现了数据在界面中的显示与读取。利用c#里的serialport控件可以方便地读取串口中缓存的数据。利用ADO.net技术可以把接收的数据保存在MySQL数据库中，便于后续实地测试时的数据实时查询与分析。

2系统外观结构设计

由于系统测试场地位于沿海地区，实验环境恶劣复杂，海水对实验仪器的腐蚀破坏性远超淡水水域，加之海域各类污染会加速对实验仪器的破坏，因此需要对传感器节点设计一套针对性的保护结构。

系统整体外观结构如图4所示。系统的外壳为球状，使其不会因为风浪导致颠覆或下沉。上半球是透明塑料，有利于太阳能电池的采光和信号的发射。下半球则使用铝质材料加工以减小海水腐蚀，上、下半球之间用0型圈密封，以保证系统的密封性。球体内部放置固定了电池和PCB板的电木板。球体底部开了小孔，便于防水插件接入传感器。在整个球体底部悬挂重物来保证系统结构稳定避免侧翻。该系统结构具有方便移动、构造简单、信号发送稳定，密封性能佳等优点。

3系统实地在线测试

为了测试系统的准确性与稳定性，在宁波的水产品养殖场进行了实地测试，测试时间为3个月。由于测试季节为夏季，海域环境复杂多变，在承受海水腐蚀、多次台风等恶劣的环境影响下，实验结果表明，系统的各个节点都能保持长时间正常、稳定工作。实验过程中的网络平均丢包率如表2所示。利用OMEGA公司提供的PHH222型pH计、DOH-SD1型溶解氧测量仪和CDH221型电导率检测仪分别对比验证了对应的系统获取的各参数值，并分析了其相对误差绝对值，其结果分別如表2和表3所示。

可以对比得出，该系统平均的网络丢包率是0.18%，pH传感器的相对误差绝对值是0.49%，溶解氧和电导率传感器的相对误差绝对值分别是1.72%与0.23%。本次实验结果表明，系统能够有效地进行稳定的工作，且可以取代目前的人工管理模式，具有良好的发展前景。

4结束语

本文实现了关于zigBee的水质监测无线传感网络系统，并编写了整套系统的硬件和软件，在实际的使用中有较强的实用性，且系统工作稳定。该系统已达到预期设定的目标，无重大问题发生，且具有较大的市场竞争优势和广阔的发展前景。目前该系统的设计仍存在一些缺点，基于现有研究，将继续对系统用户终端控制、结构设计以及APP开发等做出进一步的完善和扩展。

（编辑：李妮）