基于WSN的水质自动监测系统硬件电路设计

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(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

水是生命之源，是人类赖以生存和发展的基础。水资源开发利用及保护是很多国家共同关注的问题。我国已将水资源保护作为一件关系国计民生的大事列入了基本国策。保护水资源的重要手段是对水质进行实时在线监测。但是传统的水资源监测方法具有成本高、工作强度大、效率低、时效差的缺点。在此，针对不宜采集、极难采集或者大型水域的水质监测，需要满足部署便捷、配置灵活、实时性强、监测范围广、传输距离远和系统成本低的要求，本文融合WSN(无线传感器网络)技术、4G无线通信技术和嵌入式技术等设计了一款水质远程自动监测系统。

1 系统方案

为了实现对待测水域全天候实时自动在线监测，设计的系统方案如图1所示。系统由传感器节点、无线网关和远程监控中心3个部分构成。传感器节点数量众多，动态分布在待测水域，构成水质监测网络，每个传感器节点都能够对待测水体的水温、pH值、电导率、浊度等参数进行采集和处理，并传送给无线网关。无线网关将来自传感器节点的数据通过4G无线移动网络传输至OneNET云服务器，远程监控中心从云服务器接收、解析这些数据，并进行动态显示及预警提示，为水环境污染的防治提供决策和支持。

图1 水质远程自动监测系统

2 系统硬件设计

水质远程自动监测系统硬件电路主要包括传感器节点、无线网关和电源模块。本文重点阐述传感器节点和无线网关的硬件设计过程。传感器节点实现对水质参数的采集，并将数据经过ZigBee网络传至无线网关。无线网关的中心是嵌入式处理器，一方面接收协调器节点采集的数据并解析，另一方面管理4G模块将数据远程传输到OneNET云。电源模块为系统各部分供电。

2.1 传感器节点

传感器节点的微处理器选择的是TI公司推出的CC2530。该芯片体积小、价格低，内部集成8051处理器、无线射频模块、RAM和ROM存储器、A/D转换器、SPI通信总线等多功能模块，便于实际应用中的硬件电路设计[1]。而且CC2530 收发信息功耗低[2]、休眠模式/主动模式转换时间极短且能耗极小，非常适合野外环境下长时间使用的要求。传感器节点所携带的温度传感器属于数字传感器，另外3种传感器所采集的水质参数首先经CC2530内部的A/D转换器处理，转换为数字信号，再经过内置的无线射频模块发送到无线网关。传感器节点的组成如图2所示。

图2 传感器节点的架构

2.1.1 水质的温度检测

温度传感器选用的是美国Dallas公司的可组网数字温度传感器DS18B20。它具有单总线、小体积、低功耗、高性能和使用方便等优点[3]，温测范围为-55～+125 ℃，工作电压3～5 V。DS18B20工作时仅需1条数据线即可实现与微处理器CC2530的双向通信。水温检测电路如图3所示。DS18B20将采集到的水温经数据线送给CC2530的P1.1脚。

图3 水温检测电路

2.1.2 水质的pH值检测

水质的pH值代表了水中H+的浓度，即水质的酸度，对pH值的测量和分析是判断水污染程度的重要依据[4]。本系统选用E-201-C型pH复合电极测量水质的pH值。该电极由玻璃电极和参比电极组成。参比电极对H+不敏感，它的作用是提供恒定的电位作参考，玻璃电极对H+敏感[5]，会根据水中H+浓度产生一相对于参比电极的电位，只要测得该电位值，即可算出水质的pH值。pH值检测电路如图4所示。系统中参比电压选择0.7 V，此时经pH传感器输出的电压需经过TLC4502运算放大,才能送给CC2530内部的A/D转换器进行模数转换。

图4 pH值检测电路

2.1.3 水质的电导率检测

对电导率的常规测量方法是根据电解导电原理,采用电阻测量法间接测量电导率。即在环形电导测量电极两端施加1个连续等幅恒频的交变电压，电极两端加直流电时极化严重，溶液电阻有增大趋势，导致误差增大[6]。在电极中产生1个正比于被测水质电导率的电流I(t)，该电流流经采样电阻后产生正比于被测电导率的交变电压V，该电压经放大、交直流变换、平滑滤波后送给A/D转换器处理。系统中的电导率传感器选用的是DJS-1型铂黑电导电极传感器。铂黑电极壳能有效防止在测定较高电导溶液时出现地极化现象，可对常规水体电导率进行精确测量，电路如图5所示。

图5 电导率检测电路

2.1.4 水质的浊度检测

系统选用GE公司的TS型浊度传感器测量水体的悬浮颗粒物浓度，适用温度范围广，额定电压为5 V，额定电流最大仅30 mA。该传感器的工作原理是当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光越多，电流就越大，反之透过的光越少，电流就越小。通过测量接收端电流的大小，就可以计算出水的污浊程度。传感器有3个端口，2脚为模拟输出端，线性对应浊度值，经LM224运算符放大后送给A/D转化器转换为数字信号。浊度检测电路如图6所示。

图6 浊度检测电路

2.2 无线网关

无线网关由协调器、嵌入式处理器和4G模块组成，如图7所示。网关节点在嵌入式处理器管理下，一方面由协调器接收ZigBee网络传来的水质监测数据，另一方面管理4G模块，实现数据的远程无线传输。

图7 无线网关节点架构

协调器节点的主要功能是接收网络终端节点无线传输的数据，把这些数据处理后发送到嵌入式处理器。系统仍然选用TI公司的CC2530作为协调器节点的微处理器。协调器节点通过USB接口与嵌入式处理器相连。

系统选用了树莓派3开发平台作为嵌入式处理器，实现网关功能，将水质参数采集的ZigBee无线网络与4G LTE无线网络连接；通过4G模块使系统以无线的方式连接到OneNET云，实现数据的远程传输。树莓派3采用64位4核ARM Cortex-A53作为CPU中央处理器， 1.2 GHz的运行频率可以使处理器在运行多任务操作系统时更加稳定，1 GB的RAM存储器保证了系统的运行速度及稳定性。树莓派3开发平台直接板载802.11n无线局域网和蓝牙4.1，具有4个USB2.0接口、40个GPIO口、1个以太网口，以及MicroSD卡插槽和1个音视频接口，丰富的外设接口资源极大地满足了本系统在外设接口方面的需求。

4G无线通信模块选用的是SIMCom公司的SIM7100C 4G LTE产品。SIM7100C是一款基于高通MDM9215多模LTE平台的超小型可靠无线模块，具有完整的多频段，采用功能强大的CortexTM A5(550 MHz)处理器，以及3个QDSP6内核，主频最高可到500 MHz。4G通信模块通过USB接口与嵌入式处理器进行数据通信，使用无线射频插座连接外置天线。4G模块正常通信需要适配SIM卡，故4G通信电路设计包括SIM7100C电路和SIM卡座电路2部分。

2.3 电源模块

电源模块设计很重要，考虑到系统野外长期工作的需要，电路设计参考了夏治安等[7]采用太阳能电池板+锂电池供电的模式，此处不再赘述。

经过电路原理图设计、PCB制作、元器件装配，实现了传感器节点、无线网关节点的硬件设计，实物如图8所示。由于电路采用了大量集成度高的元件、模块化的设计，从而保证了节点体积小的特性。为了尽可能延长传感器节点的工作寿命，设计时将其置于防水盒中。

图8 水质自动监测系统硬件实物示意

3 系统测试

结合监控中心上的软件设计，搭建了包括2个传感器节点、1个无线网关、1台PC机在内的实验系统，对不同标准的被测液体、蒸馏水等分别进行pH值、电导率测试，测试结果分别如表1和表2所示。

表1 传感器节点pH测试结果

表2 传感器节点电导率测试结果 μS/cm

通过对不同温度的液体进行温度值的测试，并以高精度温度传感器的测量结果作为对比，测试结果如表3所示。

表3 传感器节点温度测试结果 ℃

通过2个传感器节点对不同标准被测液体的浊度进行测试，考虑到监控中心软件中浊度的直观表示(以百分比表示浊度)，设计中把0.3NTU标准2个传感器节点的输出值记做100%作为参照，测量并计算出其他标准的液体浊度如表4所示。

表4 传感器节点浊度测试结果

从表1～表3的测量结果可以看出，2个传感器节点对不同标准被测液体的pH值、电导率、温度等参数的测量,与标准值比较偏差较小，测量结果可以作为实时监测的依据。

表4的测试结果表明，当被测标准液的浊度值越大，说明该液体中的悬浮或不溶解物质越多，导致其透光率越差，通过2个传感器节点测试的结果百分比越小。

4 结束语

本文介绍了基于WSN技术的水质自动监测系统的硬件开发设计过程，结合远程监控中心上的软件设计，实现了水质实时、自动监测功能。系统以无线传感器网络为核心，不仅组网方便、部署灵活，而且扩展性很强，再结合OneNET云技术，更好地解决了水质监测系统中数据的远程、无线传输问题，为水质预警工作带来更加快速、实时的数据信息，使得水质监测更加方便、及时、准确，是进行水质监测的一个新的选择。