基于ZigBee的校园湖泊水质监测

何蕊 储瑛 颜奔 周红明

摘要：本文将ZigBee技术应用于校内湖泊的水质监测中进行试验验证，能方便解决水质的采集、传输和处理等问题。通过温度传感器，pH值传感器、溶解氧传感器以及电导率传感器构成的水质参数采集模块采集校园湖泊水质参数，并将数据传送给单片机进行处理，处理后通过ZigBee通信模块将数据传送给上位机，从而实现了一个小型的水质监测系统。

Abstract： In this paper， ZigBee technology is applied to the water quality monitoring of lakes in the school for test verification， which can easily solve the problems of water quality collection， transmission and processing. The water quality parameter collection module consisting of temperature sensor， pH sensor， dissolved oxygen sensor and conductivity sensor collects the water quality parameters of the campus lake， and transmits the data to the single chip for processing. After processing， the data is transmitted to the upper position through the ZigBee communication module. Machine， thus achieving a small water quality monitoring system.

关键词：ZigBee;水质监测;无线远程监测;无线传感网络;湖泊

Key words： ZigBee;water quality monitoring;wireless remote monitoring;wireless sensor network;lake

中图分类号：X832                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0171-03

0  引言

近年来，随着我国工业化和城市化的推进，水污染的问题日益严重，为了让人类和水生生物生活在一个健康的水源环境中，对水质的监测就显得尤为重要。相对大多数的无线监测技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些技术使得ZigBee可以和无线传感器完美的结合在一起，并且，ZigBee技术的无线传感器网络研究和开发已受到越来越多的关注。

本文以本校博思湖为研究对象，根据无线传感器的基本理论和博思湖水质在线自动监测的需求，利用水质传感器技术、ZigBee技术、自动测量技术及无线通信技术研究设计一套在线式水质自动监测系统，实现对博思湖水质的温度、pH值、溶解氧和电导率的采集、传输和处理等功能。

1  发展意义

早在1970年，美国和日本等发达国家对河流、湖泊等地表水就开展了水质自动在线监测。主要有美国YSI的水质垂直剖面自动监测系统，美国HACH公司的供水管网水质监测系统等。

我国也在2000年9月起，开始实施全国主要流域重点断面水质自动监测站的建设项目，已形成了覆盖全国十大流域、拥有200多个子站、能够及时反映断面水质状况和变化的能力。然而我国的水质监测体系仍然存在自动化程度低、信息处理不及时等问题，主要表现在以下几方面：首先，各种水质参数的监测仍以人工采样和实验室分析为主，不但工作量大，监测效率低，而且很难在短时间内提供水质参数的信息，实时掌握水质变化的情况;其次，水质监测网络的信息化程度偏低，使得众多部门的监测数据客观上无法共享。

因此，研究设计出一套在线式水质自动监测系统、可实现24 小时不间断对水质的监测、所有采集数据实时无损耗传输到手机客户端的系统是及其有益的一件事。

2  研究目标

以玉溪师范学院博思湖的水质监测为主要研究对象，以自动化实时监测为目标，采用硬件与软件相嵌合，理论与实际相结合的方式进行开发，旨在建立运行稳定、操作方便、管理能力强、成本低廉、高效的监测系统。

结合博思湖水质在线自动监测的需求，利用水质传感器技术、ZigBee技術、自动测量技术及无线通信技术研究设计一套在线式水质自动监测系统，实现对博思湖水质的数据采集、传输和处理等功能。

3  系统总体设计方案

本系统主要由传感节点和协调器节点所构成的水质监测处理单元;ZigBee 网、DTU 设备和无线通信技术构成的传输网络单元;自动监控中心软件系统组成。系统框图如图1所示。水质监测处理单元获取水中所需水质数据通过传输网络单元处理并将数据传输到终端，计算机对数据进行分析，若数据超出正常值则启动报警系统。如图1所示。

3.1 RFD 设备设计

传感器节点是一个 RFD 设备，负责数据的采集，位于 ZigBee 网络的最前端。传感器节点的组成是：电源模块、传感器模块、RF 射频天线和 CC2530 模块。传感器模块部分包括温度、 溶解氧、电导率、pH、氨氮等水质传感器及相对应的调理电路，系统中采用的CC2530 芯片含有 8051 处理器和ZigBee 无线收发器。传感器模块采集的水质数据传送到 CC2530 的处理器单元进行计算存储再通过无线传输的方式发送给协调器节点。如图2所示。

3.2 传输网络设计

ZigBee 网络由一个协调器节点设备和多个传感器节点设备构成，主发负责数据的采集和汇聚，任意分布在某个监测区域内的传感器节点定期对水质检测，并将检测到的数据传到协调器节点;协调器节点除了向 DTU 发送数据，还要建立、维护一个安全可靠的无线通信网络。GPRS 网络设备负责数据转换，将接收的数据进行协议转换，打包后通过移动网络发送给远程的监测中心服务器;上位机对服务器数据进行读写处理。如图3所示。

3.3 系统软件设计

系统软件的设计是为了实现对水体环境监测数据实时接收、显示、查询、存储、统计分析等，通过该系统可以及时掌握水质变化情况，并对发展趋势进行预测和预警，做出相应处理策略。节点系统中采用了三层设计方法。将整个软件系统分为硬件抽象层、系统服务层和应用层。软件控制系统计算机对数据进行分析，若超出正常值则启动警报系统，数据可以由客户自行打印存储，系统 24 小时不间断地定时向远程的监测中心发送采集数据，实现实时监测。系统软件的结构如图4所示。

我们的上位机是基于Qt开发的，Qt是诺基亚公司的C++可视化开发平台。与Visual C++相比，Qt 简单方便、功能完善、跨平台、扩展能力强，常用于嵌入式开发。Qt是一个跨平台的 C++图形用户界面应用程序框架（C++ GUI），能够为应用程序开发者提供建立艺术级图形用户界面所需的所有功能。它是完全面向对象的，很容易扩展，并且可应用于组件编程。如图5所示。

4  总结

本文结合了ZigBee技术，GPRS无线通信技术以及编程技术，传感器节点采集数据，将采集到的数据通过ZigBee网络传到协调器节点，协调器节点建立一个安全可靠的无线通信网，最后数据通过GPRS转换打包发送给上位机处理数据，从而实现对水质的监测。ZigBee技术的应用，解决了适应传感器、低端的和面向控制的、应用简单的专用标准的这一问题，提高了系统的扩展性、移动性，同时也降低了设备的成本。

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