優(yōu)選水環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設計

安徽城市管理職業(yè)學院 王富羅

廣東工業(yè)大學計算機學院 陳 龍

溫州市鹿城區(qū)中津先進科技研究院 王 勇

瑞晟微電子（蘇州）有限公司 李 濤

優(yōu)選水環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設計

安徽城市管理職業(yè)學院 王富羅

廣東工業(yè)大學計算機學院 陳 龍

溫州市鹿城區(qū)中津先進科技研究院 王 勇

瑞晟微電子（蘇州）有限公司 李 濤

為滿足室外水體環(huán)境的實時環(huán)保監(jiān)測需求，提出一種優(yōu)選的水環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設計方案。以pH傳感器、溶解氧傳感器及透明度傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)的輸入端口，分別監(jiān)測被測水體的pH、溶解氧以及透明度，所檢測到的信號發(fā)送到無線網關節(jié)點，并通過無線網關的發(fā)送天線，經過移動網絡傳送到遠程服務器，實現(xiàn)被測水體環(huán)境的實時智能化監(jiān)測。

水環(huán)境；傳感器；智能化監(jiān)測；系統(tǒng)設計

越來越多的系統(tǒng)[1][2]采用無線傳感器網絡來節(jié)約成本、實現(xiàn)實時智能、高可靠監(jiān)測管理。

1 系統(tǒng)總體方案設計

該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測傳感器組（包括pH、溶解氧、透明度）、傳感器底座、電源控制模塊、網關等4大模塊組成。傳感器底座是整個系統(tǒng)的核心，負責連接傳感器組以及發(fā)射天線，并實現(xiàn)對接收到的無線控制信號的響應和對傳感器組的控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器組模塊

對于水環(huán)境監(jiān)測傳感器，現(xiàn)有的測試指標往往只關注pH、亞硝酸根例子濃度、COD濃度等指標當中的一個或者多個，在選取監(jiān)測指標時往往具有隨意性。而亞硝酸根離子濃度易于被環(huán)境當中的氧化劑經化學氧化反應，轉換成無毒的硝酸根離子，不一定適合重點監(jiān)測。此外，COD濃度往往需要依靠專門的實驗室進行化驗分析，不適合于用于水體環(huán)境實時監(jiān)測。為此，我們優(yōu)選pH、溶解氧、透明度作為水體環(huán)境監(jiān) 測的指標，并將相應的傳感器組成傳感器組用于監(jiān)測水質。

2.1.1 pH傳感器

本系統(tǒng)中的PH值傳感器采用了E201-9型pH電極。該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼不可充式復合電極，用于測量水溶液中的氫離子活度。使用該電極制作的PH值傳感器具備以下本系統(tǒng)的要求：電極具有穩(wěn)定的液接界；電極不易污染，堵塞，使用壽命長；參比系統(tǒng)采用高分子聚合物填充，使用方便，無須補充電解液；電極響應靈敏（數秒）穩(wěn)定性好，抗干擾性能強；測量范圍0～14ph；耐壓力0.6MPa；電極適用于各種低電導率的場合。根據被測溶液的酸堿度不同，pH符合電極產生不同的直流電位，這樣就可以將酸堿度轉化為電信號進行采集。

2.1.2 溶解氧傳感器

溶氧度是水質監(jiān)測的重要指標，也是衡量水質的綜合指標。本系統(tǒng)中的溶氧度傳感器采用了極譜型溶氧傳感器，采用Clark極譜電池技術，由金陰極、銀陽極和銀參考電極組成三傳感器系統(tǒng)。對銀參考傳感器采用恒定的電壓進行極化，起到了穩(wěn)定測量值的作用，避免了傳統(tǒng)兩傳感器系統(tǒng)的干擾，并有效降低了測量中的漂移。針對極譜型溶氧度傳感器，我們設計電壓信號三級放大電路。每個LM324都有4路放大電路。我們通過調整電阻R4/R5的比例關系控制第一級放大電路的放大倍數。通過調節(jié)電阻R8/R9的比例關系控制第二級放大倍數。通過調節(jié)電阻R10/R11來控制第三級放大倍數。通過多級放大，可以檢測本套系統(tǒng)中溶氧度傳感器兩極微弱的電壓差，提高溶氧度傳感器的檢測精度。

2.1.3 透明度傳感器

采用激光發(fā)射電路來檢測水質的透明度。一端作為發(fā)射極，另一端作為接收極，以接收極為傳感器感應的一端，通過放大電路，將接收級的微弱的電壓差放大到一定倍數，然后采用ZigBee通信模塊上集成的AD采集功能。我們?yōu)榇嗽O計電阻型放大電路，使用兩級放大，倍率約14倍。

2.2 電源控制模塊

在初始測試中，傳感器節(jié)點采用5V電源供電，在后期的實際應用中采用手機電池供電。為此，我們在電源接口處設計了手機電池卡槽以及為方便測試焊接的導引線。該模塊采用MIC2026模塊為該電路板提供5V和3.3V供電。主要是為3.3V供電。在Zigbee模塊工作的情況下，如果使能引腳ENA，即置PTA1為高電平，OUTA 輸出VCC為5V。如果使能ENB，即置Zigbee的PTA2引腳為高電平，OUTB輸出5V，Vin為5V再通過后面的電源轉換芯片AMS1117-3.3將Vin轉化為3.3V。該電路的每路通道最大500mA,但目標板需要的電流比較大時，可以使用PS-R1將兩路輸出通道合并。要實現(xiàn)以上功能，就必須將PTA1和PTA2引腳同時使能。在此塊電路板中還需要產生負電壓。該節(jié)點模塊采用ME7660芯片將VCC轉換為負電壓。

2.3 傳感器底座

包括測試底座板和無線通信子模塊兩部分。通信子模塊采用MC13213芯片，該芯片將GB60和Zigbee模塊集成在一起，效率更高。該模塊單獨封裝為一個成熟模塊，將串口和其他一些接口留出來和數據收發(fā)處理模塊相接。底座板細分為傳感器模塊、串口發(fā)送模塊和調試模塊。傳感器模塊提供了上述傳感器組的掛載接口，串口發(fā)送模塊用于連接無線通信模塊，即數據收發(fā)天線。調試模塊用于程序的燒寫和調試。

2.4 網關節(jié)點

本設計GPRS/3G網關的主控模塊采用了MCF52223芯片。GPRS模塊硬件分為SIM接口和EM310模塊。GPRS/3G網關的ZigBee主體模塊和無線傳感器節(jié)點一樣，均是采用了ZigBee平臺MC13213。為保障防水性能，采用一個卡扣的塑料盒子。該盒子自身是具有防水性能的，但是我們需要將傳感器引出來，所以必須將這個盒子打個洞。所以在該洞處采用了橡皮式的防水接口進行封閉。在天線設計上，由于考慮到在上面打洞會比較困難，所以本設計將傳感器和天線的洞口進行公用。

3 結語

采用MC13213芯片、EM310芯片、多級放大電路設計，實現(xiàn)了對水體環(huán)境導致電信號變化的及時檢測，并通過節(jié)點收發(fā)天線將數據通過網關上傳到遠程服務器，實現(xiàn)了監(jiān)測的智能化。采用地址編碼，只需增加部署的節(jié)點的編號，以及分管網關節(jié)點的數目，系統(tǒng)將可以方便的擴展，對于當今環(huán)保監(jiān)測具有現(xiàn)實意義。

[1]Long Chen,Liusheng Huang,Weijie Guo,et al.,Design and Implementation of a Testbed for WSNs Monitoring Aquatic Environment[C].WOCC 2013,Chongqing,China.

[2]D.Johnson,T.Stack,R.Fish,D.M.Flicking,L.Stoller,R.Ricci,and J.Lepreau,Mobile emulab:A robotic wireless and sensor network testbed,in Proceedings of the 25th Conference on Computer Communications[C].April 2006.