基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

李金勝+周圓+程杰

摘 要：針對(duì)目前水環(huán)境污染狀況的日益惡化的問題，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過節(jié)點(diǎn)傳感器采集水環(huán)境中離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率、溫度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一跳或多跳方式自組織網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有成本低廉、移植性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的效果。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);匯聚節(jié)點(diǎn);水環(huán)境;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志：A ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-1302（2014）12-00-03

0 ?引 ?言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，水環(huán)境的狀況越來越惡劣。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)水環(huán)境本身有著重要的意義。

目前針對(duì)水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集有兩種主要方式：一是建立觀測(cè)站，其破壞性大、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、成本高、移植性差。二是人工取水樣，采集至實(shí)驗(yàn)室分析，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確且受天氣、地域、時(shí)間等限制。本文提出采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network ，WSN）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)。WSN具有成本低廉、移植性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)三部分的設(shè)計(jì)。它采用ZigBee協(xié)議自動(dòng)組網(wǎng)和將CC2530作為主控芯片對(duì)水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，匯聚節(jié)點(diǎn)收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，然后通過GSM/GPRS傳送至上位機(jī)平臺(tái)。上位機(jī)平臺(tái)的軟件對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)信息和節(jié)點(diǎn)本身信息作相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析與處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的參數(shù)、污染物排放情況、水質(zhì)情況以及水環(huán)境中突發(fā)狀況。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 ?水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

本文提出的水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于建立河流水庫等大范圍、具有自組網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳傳輸和自修?fù)功能的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)和GSM/GPRS實(shí)時(shí)傳輸?shù)南到y(tǒng)，如圖1所示。

WSN系統(tǒng)包括了節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)及處理平臺(tái)。其中節(jié)點(diǎn)采用人工的方式均勻部署，WSN通過ZigBee協(xié)議自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再通過GSM/GPRS傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的水質(zhì)監(jiān)控中心，之后將由監(jiān)測(cè)管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析比較與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則提示操作人員注意對(duì)應(yīng)區(qū)域的環(huán)境狀況，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

圖1 ?WSN系統(tǒng)示意圖

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，安裝在河流、水庫、工業(yè)廢水排污口等地點(diǎn)并以野外無人值守方式工作，通過傳感器采集監(jiān)測(cè)水環(huán)境區(qū)域中的離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率、濃度等的參數(shù)。為了建成一個(gè)針對(duì)不同測(cè)試環(huán)境可任意組合的多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)需求如下：

（1）多種指標(biāo)監(jiān)測(cè)：依據(jù)各行業(yè)廢水參數(shù)主要在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)可知，對(duì)于不同區(qū)域的水質(zhì)，所需要測(cè)量的指標(biāo)也不同。要求同時(shí)監(jiān)測(cè)多種水質(zhì)指標(biāo)，并根據(jù)不同區(qū)域選擇不同的傳感器組合。

（2）節(jié)點(diǎn)電源模式：由于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝在戶外，分布較散，只能采用電池電源供電。為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在軟件上優(yōu)化或采用太陽能供電。

（3）多拓?fù)涠喙?jié)點(diǎn)無線通信：為實(shí)施對(duì)某片水域的水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要在目標(biāo)流域內(nèi)部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)將采集到的參數(shù)傳送到中央控制系統(tǒng)，從而完成目標(biāo)流域的數(shù)據(jù)采集。因處于不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的空間分布差異較大，例如對(duì)水庫湖泊環(huán)境的監(jiān)測(cè)，需要將大量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在水域內(nèi)均勻分布;對(duì)江河流域水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，則需要將他沿著河岸分布，形成鏈狀結(jié)構(gòu);若是監(jiān)測(cè)排污口，則節(jié)點(diǎn)主要分布于排污口附近區(qū)域。因此要求監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，并實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)接力通信的功能。

（4）設(shè)備成本：傳感器無線網(wǎng)絡(luò)需要大量節(jié)點(diǎn)，因此應(yīng)考慮成本問題，盡可能精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，降低節(jié)點(diǎn)的總成本。

2 ?無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)核心模塊由主控MCU STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530組成，普通節(jié)點(diǎn)由CC2530外圍連接若干種針對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的傳感器，通過這些傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)試環(huán)境可任意組合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不同水環(huán)境可選擇不同的傳感器組; ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)收發(fā)主要由CC2530模塊負(fù)責(zé)，利用Z-Stack協(xié)議棧的API接口，模塊實(shí)現(xiàn)了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等任務(wù)[2];傳感器模塊的接口按照標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信接口設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化，具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。參數(shù)檢測(cè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路，若為數(shù)字信號(hào)則直接送至CC2530單片機(jī);若為模擬信號(hào)則需先經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，再發(fā)送給CC2530的內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器。CC2530節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)絡(luò)通過RS 232接口與匯聚節(jié)點(diǎn)中的主接芯片STC89C52連接。匯聚節(jié)點(diǎn)接GSM模塊，該模塊通過GPRS將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并分析。

圖2 ?數(shù)據(jù)流向圖

2.2 ?傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 ?節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信模塊選用德州儀器（TI）ZigBee處理芯片CC2530，該芯片是專為ZigBee及IEEE 802.15.4應(yīng)用設(shè)計(jì)的SoC芯片。CC2530適用于有低功耗工作需求的設(shè)備，具有多種低功耗操作模式，通過設(shè)置芯片內(nèi)部的電源管理控制器可關(guān)閉芯片部分內(nèi)部時(shí)鐘和射頻模塊的電源，使芯片進(jìn)入不同程度的低功耗模式，并且可以在各種低功耗模式間進(jìn)行快速切換，進(jìn)一步降低電流損耗。CC2530的8051內(nèi)核通過芯片中設(shè)置的RF指令集處理數(shù)據(jù)收發(fā)、中斷、DMA和FIFO等硬件抽象層的工作。CC2530在應(yīng)用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對(duì)CC2530進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊虝r(shí)，利用Basic RF層提供的通信API函數(shù)，可以極為便捷地實(shí)現(xiàn)用戶的程序工作量，無需進(jìn)行硬件抽象層的各種繁雜設(shè)置和狀態(tài)處理[3]。

匯聚節(jié)點(diǎn)中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送以及收發(fā)命令。

本設(shè)計(jì)方案將STC89C52與CC2530結(jié)合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監(jiān)測(cè)水環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵。用戶可根據(jù)不同的水環(huán)境選擇監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導(dǎo)率傳感器為自制傳感器，下文將詳細(xì)介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導(dǎo)率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據(jù)相關(guān)化學(xué)知識(shí)可知，兩個(gè)金屬棒在水體中會(huì)發(fā)生陽離子和陰離子的移動(dòng)，產(chǎn)生電流形成恒流源。若在兩個(gè)金屬棒上串聯(lián)一個(gè)阻值合適的精密電阻，則可監(jiān)測(cè)污染物排放后水體的導(dǎo)電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會(huì)改變水的導(dǎo)電性能，該排放物濃度越高，水的導(dǎo)電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產(chǎn)生的電流越大，導(dǎo)電性能就越好。再通過污染物擴(kuò)散，傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得各點(diǎn)位置的導(dǎo)電率后可實(shí)時(shí)預(yù)估污染源的位置及污染程度。自制電導(dǎo)率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導(dǎo)率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)電源系統(tǒng)要求的低功耗、長(zhǎng)時(shí)間工作、低成本的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)、電解液需要定期維護(hù)，同時(shí)太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設(shè)計(jì)中，匯聚節(jié)點(diǎn)由STC89C52和CC2530組成。普通節(jié)點(diǎn)僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設(shè)計(jì)，在節(jié)點(diǎn)采集、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入工作模式，傳輸完成后進(jìn)入節(jié)能模式，可大幅度降低系統(tǒng)的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求，且有效降低節(jié)點(diǎn)的體積和重量[4]。

2.3 ?節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要利用單片機(jī)STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負(fù)責(zé)信息的采集控制與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。CC2530負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)上各個(gè)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量值到理化值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發(fā)送到STC89C52單片機(jī)，最后經(jīng)過GSM/GPRS模塊向遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機(jī)發(fā)送初始化自組網(wǎng)命令和自恢復(fù)命令，實(shí)現(xiàn)初始組網(wǎng)與自動(dòng)檢測(cè)恢復(fù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有簡(jiǎn)單的分布式處理數(shù)據(jù)的能力。如對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，可知是否有參數(shù)超標(biāo)，若有則預(yù)警，若無則連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)也有優(yōu)化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結(jié) ?語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與通信，而使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以大范圍鋪設(shè)，不受區(qū)域限制，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)水環(huán)境中各類參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)也可以作為工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 ? 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

參考文獻(xiàn)

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Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

匯聚節(jié)點(diǎn)中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送以及收發(fā)命令。

本設(shè)計(jì)方案將STC89C52與CC2530結(jié)合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監(jiān)測(cè)水環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵。用戶可根據(jù)不同的水環(huán)境選擇監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導(dǎo)率傳感器為自制傳感器，下文將詳細(xì)介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導(dǎo)率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據(jù)相關(guān)化學(xué)知識(shí)可知，兩個(gè)金屬棒在水體中會(huì)發(fā)生陽離子和陰離子的移動(dòng)，產(chǎn)生電流形成恒流源。若在兩個(gè)金屬棒上串聯(lián)一個(gè)阻值合適的精密電阻，則可監(jiān)測(cè)污染物排放后水體的導(dǎo)電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會(huì)改變水的導(dǎo)電性能，該排放物濃度越高，水的導(dǎo)電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產(chǎn)生的電流越大，導(dǎo)電性能就越好。再通過污染物擴(kuò)散，傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得各點(diǎn)位置的導(dǎo)電率后可實(shí)時(shí)預(yù)估污染源的位置及污染程度。自制電導(dǎo)率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導(dǎo)率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)電源系統(tǒng)要求的低功耗、長(zhǎng)時(shí)間工作、低成本的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)、電解液需要定期維護(hù)，同時(shí)太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設(shè)計(jì)中，匯聚節(jié)點(diǎn)由STC89C52和CC2530組成。普通節(jié)點(diǎn)僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設(shè)計(jì)，在節(jié)點(diǎn)采集、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入工作模式，傳輸完成后進(jìn)入節(jié)能模式，可大幅度降低系統(tǒng)的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求，且有效降低節(jié)點(diǎn)的體積和重量[4]。

2.3 ?節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要利用單片機(jī)STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負(fù)責(zé)信息的采集控制與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。CC2530負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)上各個(gè)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量值到理化值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發(fā)送到STC89C52單片機(jī)，最后經(jīng)過GSM/GPRS模塊向遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機(jī)發(fā)送初始化自組網(wǎng)命令和自恢復(fù)命令，實(shí)現(xiàn)初始組網(wǎng)與自動(dòng)檢測(cè)恢復(fù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有簡(jiǎn)單的分布式處理數(shù)據(jù)的能力。如對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，可知是否有參數(shù)超標(biāo)，若有則預(yù)警，若無則連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)也有優(yōu)化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結(jié) ?語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與通信，而使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以大范圍鋪設(shè)，不受區(qū)域限制，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)水環(huán)境中各類參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)也可以作為工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 ? 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]史兵， 趙德安， 劉星橋，等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吳鍵， 袁慎芳. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韓蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線接頭在線測(cè)溫系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]趙剛， 侯立剛， 羅仁貴，等. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中低功耗處理器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡愛娜. 基于能耗均衡的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)存取算法[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014 （2）： 235-240.

[6]張榮標(biāo)，馮友兵. 基于IEEE802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

匯聚節(jié)點(diǎn)中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送以及收發(fā)命令。

本設(shè)計(jì)方案將STC89C52與CC2530結(jié)合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監(jiān)測(cè)水環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵。用戶可根據(jù)不同的水環(huán)境選擇監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導(dǎo)率傳感器為自制傳感器，下文將詳細(xì)介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導(dǎo)率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據(jù)相關(guān)化學(xué)知識(shí)可知，兩個(gè)金屬棒在水體中會(huì)發(fā)生陽離子和陰離子的移動(dòng)，產(chǎn)生電流形成恒流源。若在兩個(gè)金屬棒上串聯(lián)一個(gè)阻值合適的精密電阻，則可監(jiān)測(cè)污染物排放后水體的導(dǎo)電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會(huì)改變水的導(dǎo)電性能，該排放物濃度越高，水的導(dǎo)電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產(chǎn)生的電流越大，導(dǎo)電性能就越好。再通過污染物擴(kuò)散，傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得各點(diǎn)位置的導(dǎo)電率后可實(shí)時(shí)預(yù)估污染源的位置及污染程度。自制電導(dǎo)率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導(dǎo)率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)電源系統(tǒng)要求的低功耗、長(zhǎng)時(shí)間工作、低成本的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)、電解液需要定期維護(hù)，同時(shí)太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設(shè)計(jì)中，匯聚節(jié)點(diǎn)由STC89C52和CC2530組成。普通節(jié)點(diǎn)僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設(shè)計(jì)，在節(jié)點(diǎn)采集、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入工作模式，傳輸完成后進(jìn)入節(jié)能模式，可大幅度降低系統(tǒng)的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求，且有效降低節(jié)點(diǎn)的體積和重量[4]。

2.3 ?節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要利用單片機(jī)STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負(fù)責(zé)信息的采集控制與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。CC2530負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)上各個(gè)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量值到理化值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發(fā)送到STC89C52單片機(jī)，最后經(jīng)過GSM/GPRS模塊向遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機(jī)發(fā)送初始化自組網(wǎng)命令和自恢復(fù)命令，實(shí)現(xiàn)初始組網(wǎng)與自動(dòng)檢測(cè)恢復(fù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有簡(jiǎn)單的分布式處理數(shù)據(jù)的能力。如對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，可知是否有參數(shù)超標(biāo)，若有則預(yù)警，若無則連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)也有優(yōu)化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結(jié) ?語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與通信，而使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以大范圍鋪設(shè)，不受區(qū)域限制，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)水環(huán)境中各類參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)也可以作為工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 ? 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]史兵， 趙德安， 劉星橋，等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吳鍵， 袁慎芳. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韓蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線接頭在線測(cè)溫系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]趙剛， 侯立剛， 羅仁貴，等. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中低功耗處理器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡愛娜. 基于能耗均衡的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)存取算法[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014 （2）： 235-240.

[6]張榮標(biāo)，馮友兵. 基于IEEE802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring