基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測的終端設(shè)計

陳 巖, 閆云浩, 譚 婷, 郭 宏

(1.北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測的終端設(shè)計

陳 巖1, 閆云浩1, 譚 婷1, 郭 宏2

(1.北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)不能對水質(zhì)參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，難以準確檢測水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化、水質(zhì)參數(shù)檢測誤差大等問題，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測的終端設(shè)計方案。采用模塊化設(shè)計以滿足個性化需要；采用太陽能和蓄電池雙電源供電，以延長無線節(jié)點的工作時間。仿真測試結(jié)果顯示:pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %，比傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的精度提高了30 %左右。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 水質(zhì)監(jiān)測; 傳感器節(jié)點; 硬件平臺

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人們對環(huán)境尤其是水環(huán)境保護的要求與日俱增,尤其關(guān)注水環(huán)境中一些重要水質(zhì)參數(shù)的變化情況。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法主要有2種：一種是人工采樣，采用手持便攜式監(jiān)測儀或?qū)嶒炇曳治觯涣硪环N是在特定區(qū)域建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站。前者采樣頻率低、勞動強度大、無法實時監(jiān)控、不能反映水體水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)動態(tài)變化;后者能實現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測,但存在投資成本高、建設(shè)周期長、需鋪設(shè)電纜和征地建站等局限性，其覆蓋水域不可能很廣，無法實施多點監(jiān)測[1],這種傳統(tǒng)的檢測方式已不能適應(yīng)客觀形勢[2]。為了滿足人們的要求和不同產(chǎn)業(yè)部門的需要,考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)系統(tǒng)的優(yōu)勢與特點，本文提出了基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案[3]。本系統(tǒng)的構(gòu)建對生態(tài)環(huán)境影響小、監(jiān)測密度高、范圍廣、系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、成本低[4],同時可以根據(jù)用戶的不同需要對溫度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧等多參數(shù)進行大范圍水域的水質(zhì)連續(xù)自動監(jiān)測。

1 WSNs節(jié)點硬件設(shè)計

多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

置于需要檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳WSNs系統(tǒng)[5]。傳感器節(jié)點放置后對所在區(qū)域的水質(zhì)進行實時信號采集(pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等)，再將信號進行A/D轉(zhuǎn)換、計算、存儲后通過無線射頻通信模塊[6]，把得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)即協(xié)調(diào)器，最后協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送至監(jiān)控端PC上，完成了對相關(guān)水域參數(shù)的實時監(jiān)控，協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計和傳感器節(jié)點基本相同。傳感器節(jié)點硬件總體設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig 1 System overall architecture diagram

圖2 傳感器節(jié)點硬件總體設(shè)計Fig 2 Hardware overall design of sensor nodes

1.1 電源模塊的設(shè)計

在戶外進行水質(zhì)監(jiān)測時，數(shù)據(jù)采集節(jié)點以無線的方式傳輸數(shù)據(jù)，如果單純以電池供電，節(jié)點的有效工作時間過短,基于此，本設(shè)計采用了鉛蓄電池和太陽能電池雙電源供電模式?？紤]到太陽能電池板采集的電流不穩(wěn)定，本設(shè)計利用太陽能電池板先給鉛蓄電池充電，再由鉛蓄電池給所需負載供電。在設(shè)計中加入了一個電壓轉(zhuǎn)換電路,利用電壓轉(zhuǎn)換芯片MIC5205—x.xBM5構(gòu)成的電路電壓轉(zhuǎn)換。以提供無線通信模塊所需要的3.3 V電壓[7]，通過LM317L和max232組成的電路轉(zhuǎn)換輸出電壓+12，+5,-5 V給信號調(diào)理電路的運放供電。

1.2 pH值信號調(diào)理電路

本設(shè)計采用E—201—C復(fù)合玻璃電極，該pH電極測量范圍為1～14，電極內(nèi)置熱敏電阻器，可用于溫度測量或者溫度補償功能[8]。

pH值復(fù)合電極輸出是mV級，且內(nèi)阻很高。在信號調(diào)理電路中，第一級將pH電極的輸出與CA3140電壓跟隨器相連，保證信號的準確性。第2級用AD623放大芯片，使之輸出滿足0～5 V,滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍，通過相應(yīng)的公式可以計算出所求的pH值的大小

(1)

pH值信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 pH值信號調(diào)理電路Fig 3 pH value signal conditioning circuit

1.3 電導(dǎo)率信號調(diào)理電路

本設(shè)計采用鉑黑電導(dǎo)電極DJS—1，電導(dǎo)率常數(shù)為1。鉑黑電導(dǎo)電極工作頻率為20 kHz(激勵源)左右，激勵源設(shè)計采用ICL8038芯片，該芯片是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生0.001 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。電導(dǎo)率信號測量電路采用比值法測量,即電導(dǎo)率傳感器等效為一個純電阻，函數(shù)信號發(fā)生器電路產(chǎn)生的激勵信號與電導(dǎo)率傳感器和已知阻值組成的運算放大器LF444CN串聯(lián)組成回路，然后得到放大后輸出正弦波信號。因為激勵源信號的幅值和反饋電阻器的阻值都是已知的,所以，可以根據(jù)反向運算放大器輸入輸出信號和電阻的比值關(guān)系式求出傳感器等效電阻的阻值,進而計算出溶液電導(dǎo)率值[9]。電導(dǎo)率信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率信號調(diào)理電路Fig 4 Conductivity signal conditioning circuit

1.4 溶解氧信號調(diào)理電路

溶解氧電極輸出電流一般很小，最大只有幾十微安，且電極的陰極和陽極兩端需施加0.7 V左右的極化電壓，氧電極才能正常工作。通過芯片TL431得到基準電壓-2.5 V,然后再根據(jù)TL084放大器進行分壓，然后得到0.7 V的極化電壓，氧電極的0.7 V極化電壓仿真電路如圖5所示。

圖5 氧電極的0.7 V極化電壓電路Fig 5 0.7 V polarization voltage circuit of oxygen electrode

由于溶解氧輸出的是微弱的電流信號，需要將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過并聯(lián)1 MΩ的電阻器實現(xiàn)，然后再經(jīng)過TL084進行運放放大得到0～5 V電壓，使之能夠進行A/D轉(zhuǎn)換，溶解氧信號調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 溶解氧信號調(diào)理電路Fig 6 Dissolved oxygen signal conditioning circuit

2 硬件電路穩(wěn)定性實驗

2.1 pH值與輸出電壓的線性測試

pH值是指水中重要氫離子(H+)濃度的大小，在數(shù)值上等于氫離子濃度的負對數(shù)。采用電位測量法，電位法pH測量原理來源于能斯特方程。如把一支對氫離子可逆的電極和參比電極放入到某溶液中就組成了一下原電池，由于原電池的參比電極的電位在一定條件是不變的，那么原電池的電動勢的數(shù)值就隨著被測溶液中氫離子活度而改變，因此,通過測量原電池的的電動勢，就能知道溶液中的pH值[10]。通過pH值采集電路，測得輸出電壓和pH值的關(guān)系，由表1給出輸出電壓和對應(yīng)的pH的測量值。

表1 輸出電壓和對應(yīng)的pH的測量值Tab 1 Output voltage and corresponding pH measuring value

2.2 電導(dǎo)率與輸出電壓的線性測試

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。溶液的電導(dǎo)率與其所含無機酸、堿、鹽的量有一定的關(guān)系 ，當它們的濃度較低時電導(dǎo)率也較低 ，電導(dǎo)率隨著濃度的增大而增加。電導(dǎo)(G)是電阻(R)的倒數(shù) ，2個電極插入溶液中 ，可以測出電極間的電阻R，從而測出電導(dǎo)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率K指相距1 cm 的兩平行線電極間充以 1 cm3溶液時所具有的電導(dǎo) ，根據(jù)公式(2)和電極常數(shù)J就可以測出電導(dǎo)率[11]

G=1/R=K×(1/J),

(2)

水的電導(dǎo)率測量范圍比較大,水電導(dǎo)率的測量范圍為0～2 000mS/cm;所以，必須選擇合適的反饋電阻來保證運放的不失真輸出,使放大器工作在線性放大區(qū)間,保證電導(dǎo)率信號的真實性,從而提高測量結(jié)果的準確度。表 2給出輸出電壓和對應(yīng)的電導(dǎo)率的測量值。

表2 輸出電壓和對應(yīng)的電導(dǎo)率的測量值Tab 2 Output voltage and corresponding conductivity measuring value

2.3 溶解氧電極工作電流與輸出電壓的線性測試

溶解氧傳感器采用極譜式溶解氧電極, 基于檢測電極上氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流的原理。電極由Au電極( 陰極) 和Ag電極( 陽極) 及NaCl或氰化鉀電解液和氧擴散膜組成, 氧通過膜擴散進入電解液與Au電極和Ag電極構(gòu)成測量回路。當給電極加上 0.7 V 的極化電壓時,氧通過膜擴散陰極釋放電子, 陽極接收電子產(chǎn)生電流，根據(jù)法拉第定律: 流過電極的電流和氧分壓呈正比,在溫度不變的情況下電極的輸出電流和氧濃度呈線性關(guān)系,這樣可以根據(jù)電極輸出電流的大小計算出溶液中氧濃度的大小[12]。通過溶解氧信號調(diào)理電路，可以得到工作電流和輸出電壓的關(guān)系由表3可以查看電極工作電流和輸出電壓的關(guān)系。

表3 電極工作電流和輸出電壓的關(guān)系Tab 3 Relationship between electrode working current and output voltage

2.4 輸出工作電壓和所測溶解氧的線性測試

根據(jù)法拉第定律, 電極工作電流與水中溶解氧值呈正比。由實驗數(shù)據(jù)得到的輸出電壓與工作電流的關(guān)系曲線，進而得出輸出電壓和溶解氧之間關(guān)系。由表4給出輸出電壓和對應(yīng)的溶解氧的測量值。

表4 輸出電壓和對應(yīng)的溶解氧的測量值Tab 4 Output voltage and corresponding value of measurement of dissolved oxygen

3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明:本系統(tǒng)的測量值和理論上的測量值接近，pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %，測量精度滿足水質(zhì)監(jiān)測的要求[13]。表5、表6、表7分別為pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的測試結(jié)果。

4 結(jié) 論

本設(shè)計實現(xiàn)了對pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等參數(shù)進行信號調(diào)理，并且對所得數(shù)據(jù)進行大量的實驗，保證數(shù)據(jù)的準確性。實驗結(jié)果表明：pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %,比傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的精度提高了30 %左右。

表5 pH值的測量結(jié)果Tab 5 Measurement results of pH value

表6 電導(dǎo)率的測量結(jié)果Tab 6 Conductivity measurement result

表7 溶解氧的測量結(jié)果Tab 7 Measurement result of dissolved oxygen

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Design of multi-parameter water quality monitoring terminal based on WSNs

CHEN Yan1, YAN Yun-hao1，TAN Ting1，GUO Hong2

(1.School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.Kunshan Nokisens SAC Co Ltd,Kunshan 215300,China)

Aiming at problems that traditional water quality monitoring systems can not real-time online monitoring water quality parameters,it is difficult to accurately detect dynamic changes of water quality parameters and detecting errors of water quality parameters is big,propose a WSNs-based terminal design scheme of multi-parameter water quality monitoring.The design scheme uses modular design to meet individual needs;uses solar and battery dual power supply to extend working time of wireless nodes.Simulation test results show that average relative error of pH value,conductivity,dissolved oxygen,is 2.21 %,0.69 %,2.05 %,respectively,compared with precision of conventional water quality monitoring system is improved about 30 %.

wireless sensor networks(WSNs); water quality monitoring; sensor node; hardware platform

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0083—04

2014—03—06

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0083—04

陳 巖(1963-),女，甘肅天水人，博士，教授，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。