物联网下二次供水水质监测系统的设计与应用

郑慧珍

（漳州职业技术学院 电子工程学院，福建 漳州 363000 ）

二次供水在全国范围内普遍采用，给水设施给自来水带来的二次污染非常严重[1].自来水经过管网进入储水构筑物的过程中，管网老化和钢筋混凝土会导致杂质增多，余氯消退较快，水质恶化较快.有关部门对二次供水的监测和管理需要耗费巨大人力物力.因此，急需建立一个二次供水水质监测系统，全天候监测水质参数，自动上传网络，方便居民和管理部门共同监管.

目前，我国的水质分析仪器主要依赖进口，价格昂贵，一般企业很难接受.每个居民区的二次供水储水构筑物较多，适合我国现状的监测设备较少.文献[2]提出一种基于网络技术的远程监控系统，但是并没有对各传感节点的具体实现方式进行设计.文献[3]基于ZigBee 提出一种多参数水质在线监测系统，该系统可以在100 m 范围内收集水质监测的数据，不适用于远程监测.文献[4]提出一种采用广域网和ZigBee相结合的通信方式，较适用于居民小区二次供水监测，但是各节点电源布线繁琐.针对以上问题，提出一款二次供水水质监测器，全天候定时采集浊度、pH 值、耗氧量、电导率和余氯等参数.采用ZigBee 技术[5]，实现一定范围内的自动组网，数据传送至网关节点后，通过4G 网络发送至服务器.采用太阳能电池加锂电池供电的方式，避免了繁琐的布线，实现无人值守全天候监测.

1 检测器的总体设计

系统以TI 公司的CC2430 芯片作为通信芯片和主控模块.该芯片是一款集成了ZigBee 通信协议的可编程芯片，实现数据通信的同时控制整机电路运行.传感器在CC2430 芯片控制下检测水质参数，通过RS485 接口将数据上传至该芯片.CC2430 将数据处理成帧后，通过ZigBee 通信协议上传至网关节点.网关节点负责汇总各传感器节点数据，通过4G 网络批量上传至远端服务器[6，7].

传感器节点以CC2430 芯片为主控/通信芯片，定时唤醒至全功耗模式，搜索特定编号的ZigBee 子网并加入.读取传感器测得的水质数据，通过ZigBee 通信单元将数据上传至网关节点.唤醒后完成既定检测任务后，关闭外围电路，自主进入休眠模式，达到节约电能的效果，等待下一个定时唤醒信号[8].系统构建了一个能够实现采集和传输多个水质参数的无线传感器网络.该系统主要分为三层：最底层是传感器节点，主要负责水质参数的采集；中间层是网关节点，主要对底层采集的数据进行处理和保存，并发送给网络服务器进行数据保存；顶层是组态软件监控界面及数据库，负责对采集的数据进行实时监测、处理和保存.

1.1 ZigBee 模块

居民小区二次供水设备分散于各个楼栋，若水质监测数据采用有线传输，势必带来很多施工困难.各个居民小区楼栋数量不一.ZigBee 技术具有免布线、组网方便等优点，与二次供水监测系统契合度极高.系统中ZigBee 模块负责读取传感器数据，数据打包后，调用ZigBee 通信协议，将数据包发送至网关节点.系统采用设备ID 认证技术解决系统自组网以及非法设备干扰问题.系统芯片定时进入休眠并自动定时唤醒，降低整机功耗，提高电池续航能力.图1 为ZigBee 模块.

图1 ZigBee 模块

1.2 传感器模块

本系统采用JG-Eightpro-485 多合一传感器.该传感器是一款数字传感器，提供6 个标准型传感器，遵循标准Modbus 协议，坚固耐用且可靠精确.该传感器中可选的采集参数有pH 值、耗氧量、电导率、温度、余氯、浊度等，可任意选择所要探测的参数进行全天候的监测.采集精度和稳定性高，工作电压为12 V或5 V，防水等级达到IP68，可适应长期浸泡的工作环境.该传感器采用RS485 接口与CPU 进行通信，工作电流达到百毫安级别.本设计采用智能电源控制技术解决功耗问题，提高太阳能电池续航能力，并免除了市电供电的布线问题.传感器具体参数如表1 所示.

表1 JG-Eightpro-485 多合一传感器的技术参数

1.3 传感器节点电源模块

日照条件不同则太阳能电池板的输出电压随之变化，直接用于供电不利于设备稳定，需对锂电池进行充电后再加以利用.系统进行改进设计，使电路能直接供电且能将太阳能转换来的电能进行储存.BQ24210 器件是一款高度集成的锂离子线性充电器，负责管理锂电池的充电[9-11].太阳能电池板接收太阳能转化为电能，输入到BQ24210 芯片.由BQ24210 管理锂电池BT 的充电和过温保护，防止锂电池过充电和温度过高，大大延长锂电池的寿命.传感器节点可以长期工作而无需更换电池，保证传感器节点的供电需求，发挥物联网采集系统的优势.如图2 所示为太阳能供电电源模块，太阳能电池板正极连接Vi端子.采用电源芯片TPS62203、TPS61256 和LM4132 产生3.3 V、5 V 和2.5 V 电源，满足整机电源需求.主控核心对电池正极电压进行AD 转换，通过信道传输至服务器，方便服务器跟踪监测传感器节点太阳能板和锂电池状态，及时维护和排除故障.

图2 太阳能供电电源模块

2 检测器的软件设计

检测器的软件设计采用模块化设计，整体结构可分为传感器节点模块、数据通信及处理模块和顶层组态软件.顶层组态软件作为监控界面的上位机操作环境.图3 为传感器节点软件流程图.网关节点在CC2430 芯片外部扩展存储器用于缓存数据.ZigBee 网络定期接收各传感器节点的测量数据，存储至存储器中，并用“”表示数据结尾.当数据量接近存储上限时，CC2430 将数据读出，经过成帧处理，通过4G 网络上传至网络服务器数据库中.待发数据发送完成后，存储器中的数据已无价值，因此在首地址写入“”表示存储器为空.网关节点一方面作为数据中转站，中转并鉴别有用数据；另一方面作为网络管理者，创建并管理子网.非法设备接入子网时，由网关节点发送指令将其踢出.网关节点一般采用市电供电，全天候运行.

图3 传感器节点软件流程图

网关节点负责对传感器节点采集的数据进行处理、保存和上传，供上位机监测.同时也可接收上位机监控中心发来的命令并缓存，待传感器节点唤醒后下发.图4 为网关节点的软件设计流程图.网关节点开机后，经过短暂的初始化，扫描ZigBee 网络.若扫描到信标，则加入该网络；反之，则创建ZigBee 网络.当接收到传感器节点的数据且缓存数据达到一定数量，则上传至服务器.服务器若下发命令，则保存，待传感器节点唤醒，发送给传感器节点.

图4 网关节点的软件设计流程图

3 系统测试

设置了3 个2 m3的储水容器，两两之间距离约为20 m，分别将传感器节点设备沉入式安装在储水容器中，太阳能板置于阳光直射区域.网关节点设备装在整个测试区域的正中央，并装入移动网络流量卡，连入互联网.网关节点上电后，搜索不到ZigBee 信标，建立了ZigBee 网络.每隔1 h，传感器节点唤醒，测得数据后加入ZigBee 网络并发送数据.网关节点接收到3 个传感器节点的数据后打包上传至服务器.各传感器节点上传服务器的数据如表2 所示.经过测试，所设计的网络结构能够顺利地将各节点的数据打包上传至服务器.

表2 各传感器节点上传的参数

对传感器节点进行工作电流测试.休眠状态下，耗电电流小于10 μA；工作状态下，电流达到100 mA，持续时间为30 s.对整机电源进行连续数天的测试，记录电池输出电压.对传感器节点每次唤醒时的电池电压进行自动测试并上传，并整理成关系曲线，如图5 所示.纵轴表示电池电压，单位为V，横轴表示采样点序号，每个采样点时间间隔为1 h.第一个数据的采样时间为11：00，电池电压为4.11 V.随后的6 h 内，日照较为充足，电池电量呈上升趋势，17：00 时，电池电压达到了最高（4.24 V）.18：00 至第二天5：00 期间，由于太阳落山，太阳能板无法获取能量，电池电压降到4.03 V.6：00 至11：00 期间，电池电量有所提升，最终达到4.18 V，不低于前一日同一时间.图5 中，由连续7 d 的电池电压数据可以得出：太阳能电池板能够补充足够的电能，满足传感器节点全天候运行的需求.

图5 电池电压测试曲线

4 结束语

针对目前供水设备缺乏监管且管理耗时耗力的现状，设计一款远程监测系统.系统的网络结构采用ZigBee 通信协议和4G 网络，结合多合一传感器，实现无线传感技术；太阳能结合锂电池为各节点供电，大大减少布线，方便安装.经测试，系统能全天候运行，可以满足水质实时监测的需求.