基于ZigBee无线传感器网络的水质监测系统探讨

葛 秋

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003)

0 引 言

这项工作是在考虑到国内受污染的自然水资源的危急情况后开始的。保护我们的水资源，使其始终在为家庭使用而确定的标准之内，这是一项至关重要的任务。随着国家通过工业化取得进展，我们的水资源容易受到污染的威胁，特别是工业活动造成的污染。因为由于人力、设施和设备成本的限制，当局不可能持续监测水资源的位置。这通常会导致一种无法处理的情况。因此，具有自主性、低成本、可靠、灵活等特点的监控系统就显得尤为重要。在监测任务中使用自动化将减少对监测现场人力的依赖，从而降低成本。基于无线传感器网络的无线传感器网络技术具有灵活性强、实现成本低、可靠性高等优点，在本项目中得到了广泛的应用。文章采用了一种基于ZigBee的高功率传输、低功耗的无线传感器网络技术[1]。ZigBee是一种用于无线传感器网络的通信标准，它具有成本低、使用方便、功耗小、传感器节点间数据通信可靠等特点[2]。

文章研究的重点是使用多个传感器作为检测水质水平的装置，作为监测水资源状况的替代方法。几个传感器能够连续读取一些指示水质水平的参数，如化学物质、电导率、溶解氧、pH值、浊度等，将用于监测整体质量水平。由于监控计划在访问受限的远程区域进行，因此来自传感器单元的信号或数据随后将无线传输到基站监测站。

1 相关工程

考虑到目前数据通信用电线电缆存在的通信安装成本高、传感器供电成本高等缺点，采用ZigBee对大跨度桥梁进行监测，保护电缆的钢管安装困难，电缆温度变化导致传感器数据失真，影响电缆和传感器的噪声等。ZigBee用于短距离通信，而CDMA(码分多址)基础设施用于传感器之间的长距离通信以及服务器系统。ZigBee在监控系统中的另一个应用见停车管理系统，在这项工作中，ZigBee模块是基于ATMega128L微处理器和ChipconCC2420收发器集成电路。该系统被建议用于远程服务，在远程服务中，患者和医生之间没有直接联系，并且成为开发高效远程监控系统的基础，能够提供有关患者健康状况的连续、实时和准确的信息。室内环境下的覆盖性能测试结果表明，系统能够覆盖两个或三个房间，具体取决于墙壁厚度和发射器和接收器的相对位置，如图1所示。

图1 传感器单元无线传感器节点框图

2 硬件设计

2.1 传感器单元

传感器单元由几个传感器组成，用于检测指示水质的预定参数，文章采用了三种类型的传感器：pH传感器、温度传感器和基于光电晶体管的混浊度传感器。所有的传感器都借助电池发电工作。传感器感测到的信息随后被转换成电信号，并通过信号调节电路工作，以确保传感器产生的电压或电流与被感测参数的实际值成比例，然后它被传递到一个微控制器或微处理器处理它到人类可以理解的值。

本工作中的无线传感器节点由传感器单元、具有信号数字化、数据传输、网络管理等任务的微控制器或微处理器以及用于物理层通信的射频收发器(RF)组成。它们共用一个电池作为电源，下图2示出了无线传感器节点的框图。

图2 基于ZigBee的无线传感器节点框图

模块中的微控制器可重新编程，无论是作为终端设备、路由器还是协调节点，作为终端设备的传感器节点，它只能与路由器或协调器通信以传递来自传感器的数据。终端设备只能通过路由器或协调器与另一个终端设备间接通信，定义为路由器的传感器节点负责将数据从其他路由器或终端设备路由到协调器或靠近协调器的其他路由器。路由器也可以像终端设备一样作为数据输入设备，但在实际应用中，它通常用于扩展监控系统的覆盖距离。监视系统只能有一个协调员。一种协调器，负责设置网络要使用的信道，将网络地址分配给路由器和终端设备，并保存在同一个ZigBee网络中将数据从一个终端设备路由到另一个终端设备所必需的网络路由表。用于监控系统的基于ZigBee的无线传感器网络框图如图3所示。

图3 用于监控系统的基于ZigBee的无线传感器网络框图

2.2 基站监测站

基站由一个编程为协调器的ZigBee模块组成，该模块以无线方式接收从传感器节点(终端设备和路由器)发送的数据。由于协调器需要不断地从终端设备接收数据，所以它通常由电源供电。从终端设备节点接收到的数据使用rs232协议发送到计算机，接收到的数据使用基础监控站上的内置GUI显示。基站组件框图如图4所示。

图4 基站组件框图

3 软件设计

使用Borland C++ Builder编程成功地开发了GUI平台，该程序能够与基站的硬件(协调器)交互。如图5所示，设置三个终端设备用于连接到协调器，其中一个终端设备通过路由器连接以进一步延长监视距离。首先，用户必须创建从协调器到显示单元的连接，发现周围的节点，并使用屏幕左侧提供的按钮设置数据轮询率。红色链接表示连接尚未建立。当建立连接时，链路颜色变为绿色，这使得用户很容易根据链路状态来识别网络中传感器节点的连接状态。

图5 GUI主页面初始状态

为了知道被感测参数的值，用户能够直接缩放到每个传感器节点，并且通过单击所需的节点来显示所有值，如图6所示，这里实时显示温度、pH值和水浊度的实际值，用户可以通过单击协调器图标来获得每个传感器节点处测量状态的一次性显示。同时显示了传感器节点和协调器之间每个连接的链路质量指示器(LQI)值。

图6传感器节点处被感测参数值的缩放显示

4 测 量

文章选取观音阁水库作为研究对象，观音阁水库工程位于辽宁省太子河流域本溪县境内，是辽宁省利用外资修建的大型水利工程项目之一，水库于1995年9月竣工。水库库区水面有62km2，最大库容量21.68亿m3，控制流域面积为2795km2，观音阁水库具有供水、发电和防洪的综合效益。对基于ZigBee的无线传感器网络在灌溉控制系统中的性能和有效性进行了初步的测试，以验证其用于实际监测的可靠性和可行性。

4.1 功率消耗

低功耗是无线传感器网络部署中的一个重要指标，以确保无线传感器网络能够以最少的维护时间长时间运行。功耗测量仅针对终端设备进行，因为协调器实际上由基站的电源供电。在测量期间，终端设备被配置为处于定时器休眠模式状态，该节点被配置为每隔30分钟唤醒一次，持续100ms，以便将数据发送到基站。其余时间，终端设备处于休眠状态。

4.2 覆盖性能

覆盖是无线传感器网络的另一个重要方面，因为它显示了可以覆盖多大的监测区域，并保证以可靠的信号强度将数据从传感器节点传输到基站。

测量是在平坦的室外开阔场地进行的，假设接近实际应用时没有障碍物。基站位于区域的中心，传感器节点以一定的距离间隔以不同的角度放置在0°-360°之间。基站的所有传感器节点和协调器均采用2db增益的全向偶极子天线，发射功率为100mw。

4.3 链路质量指标(LQI)

模块中使用的CC2430收发器IC具有内置的接收信号强度指示器(RSSI)，该指示器基于网络层作为信道选择算法的一部分使用的接收机能量检测(ED)测量。在ED测量期间，估计802.15.4信道带宽内八个符号周期的平均接收信号功率。LQI值是一个无符号的8位整数，范围从0到255，最大值表示可能的最佳链路质量。CC2430中的LQI值基于ED测量期间产生的RSSI值和每个传入分组的平均相关值，基于分组SFD(帧首定界符)后面的八个第一符号来计算[3]。与RSSI相比，LQI被选为覆盖性能的指标，因为它考虑了数据传输过程中噪声的影响，而不仅仅是对模块产生的信号强度的影响。覆盖性能测量方法如图7所示。

图7 覆盖性能测量方法

5 结果与讨论

5.1 功率消耗

表1显示了终端设备的平均功耗，在活动模式和睡眠模式下都进行了测量。

表1 终端设备功耗

这里需要指出的是，上述测量的平均功耗不仅考虑了模块消耗的功率，还包括了调压元件，其外围电路由电阻、电容等基本元件以及所用传感器的电源组成。

根据以上结果，电池的寿命可计算如下。

激活模式下的功耗：

W激活=35.5mA×100ms/(60×60×1000)=0.00099mA

(1)

睡眠模式下的功耗：

W睡眠=28.8mA×30分钟/60=14.4mA时

(2)

W总功耗=14.4+0.00099≈14.4mA时

(3)

电池容量=170mA时

延长电池寿命=170/14.4=11.81小时

从测量结果来看，终端设备节点能够连续工作12h，而无需安装新电池，使用容量为170mA时的可充电电池。这意味着它可以在短时间内以临时方式使用，当然，如果使用更大容量的电池，时间会更好。此外，如果仔细考虑模块电源电路，使用极低功耗的组件，加上智能电源管理，可以在休眠模式期间降低模块所需的电压供应，则可以更好地改善结果。根据要覆盖的区域选择正确的功率输出并定制在ZigBee模块中执行任务的固件也可以显著降低总体功耗。

5.2 覆盖性能

图8示出了基于LQI值的覆盖性能。在距离基站10到50米的距离内，使用全向天线可获得平均均匀的信号强度。为了进一步评估所能达到的最大距离，选择一个方向并延长终端设备与基站的距离。如图9所示，在210 m的距离内，在100%成功地传送分组时仍然可以获得可靠的信号强度。预期LQI值随着距离的延长而减小。遗憾的是，由于地理位置的限制，无法确定最大可达距离。在终端设备节点和协调器之间使用路由器有望进一步增加覆盖距离。

图8 根据与协调器模块的距离和方向计算的10-50m距离的LQI值

图9 延伸至210m的LQI值

在覆盖性能上，利用大功率传输，可以期望最小数量的传感器节点实现最大的区域覆盖。然而，为了获得更可靠的数据，同时考虑到最坏的情况，需要在多个不同的环境下进行其他测量。

6 结 论

总的来说，文章提出了一种基于大功率ZigBee的无线传感器网络在低功耗、高可靠性的水质监测系统中的实现方案。大功率无线传感器网络适用于制造业、建筑业、采矿业等涉及大面积监测的行业活动。该系统的另一个重要特点是易于安装，基站可以放置在目标区域附近的居民点，并且可以通过在系统安装开始时受过最少培训的任何人。不同环境下的性能建模是未来研究的一个重要方面，因为不同类型的监控应用在系统安装过程中需要不同的配置。