基于無線網(wǎng)絡的水質環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)

王思南，徐國保，黃清文，陸國富，李廣泰，潘啟潤

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，湛江524088）

0 引言

隨著我國科學的進步與發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對水質的要求也越來越高。但由于人類活動的頻繁，導致水土嚴重流失、水源也被污染，河水的成分也變得越來越復雜，水質中的有害成分也相應增多，飲用水的處理難度也越來越大。所以水污染問題日漸成為影響我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。

對于環(huán)境治理來說，水質監(jiān)控具有十分重要的意義。我們可以通過水質監(jiān)控節(jié)點得到詳細的水質數(shù)據(jù)，確定該地區(qū)河水中污染物的分布情況，從而可以確定出污染的來源、污染的路徑、消長規(guī)律等，進而確定出水中污染物的變化規(guī)律，并分析出污染的原因，再評價出該污染對周圍環(huán)境和人員的影響，從而對該污染源進行相應的預防和治理[1]。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的日益完善，其應用領域也在不斷擴大。無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）是由大量的監(jiān)控節(jié)點構成一個適合人們使用的自治網(wǎng)絡系統(tǒng)，是可以依據(jù)當時的環(huán)境來自主完成各種各樣的監(jiān)測任務的“智能”系統(tǒng)[2-3]。本文研究主要實現(xiàn)了基于ZigBee無線通信協(xié)議和STM32的多點水質在線監(jiān)測系統(tǒng)，構建了ZigBee子網(wǎng)通訊模塊、STM32數(shù)據(jù)處理模塊以及上位機人機交互界面三層架構的在線監(jiān)測框架。該系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)對監(jiān)控水域的遠程監(jiān)控，和有線監(jiān)控系統(tǒng)相比其節(jié)約大量的監(jiān)控成本，具有十分高的通用性和實用性。

1 總體設計

該系統(tǒng)主要分為四個部分包括水質監(jiān)測節(jié)點、Zig?Bee組網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠程監(jiān)控中心。每個水質監(jiān)測節(jié)點都是以STM32單片機作為最小系統(tǒng)并在其安裝多個傳感器模塊進行采集水溫、太陽能電池電壓、水質pH值、水的濁度等水質環(huán)境數(shù)據(jù)，并且這些節(jié)點皆以太陽能電池板和鋰電池雙重供電，以保證系統(tǒng)的正常工作。然后通過ZigBee將每個節(jié)點組成一個網(wǎng)絡，將每個節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總到其中一個具有GPRS模塊的主節(jié)點上，然后再通過該節(jié)點連接服務器來進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，電腦上位機進行下載數(shù)據(jù)最后呈現(xiàn)在監(jiān)測者面前，并且數(shù)據(jù)能夠隨時或自動保存在電腦上。在上位機上，我們隨時可以通過發(fā)送特定的指令來獲取任意一個節(jié)點的水質數(shù)據(jù)，通過上位機也可以設置每個節(jié)點定時發(fā)送數(shù)據(jù)。除此之外，本系統(tǒng)主節(jié)點可以定時檢查是否有節(jié)點出現(xiàn)故障并能及時反饋數(shù)據(jù)到上位機，系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

2 硬件設計

該水質監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線通信模塊、GPRS模塊、太陽能供電模塊組成。其中各種傳感器的選擇都是依據(jù)低功耗、綠色、體積小的原則去選擇的。

溫度傳感器采用的是不銹鋼封裝、防水型的DS18B20傳感器。該傳感器測量的溫度范圍是-55°C～+125°C。當溫度在-10°C～+85°C 時,精度是±0.5°C。通常情況下，監(jiān)測環(huán)境的溫度我們都是以“一線總線”的數(shù)字方式進行傳輸?shù)?。這樣做的目的是提高系統(tǒng)抗干擾能力。為了防止短路,防水防潮，DS18B20溫度傳感器的芯片每個引腳都用熱縮管隔開,內部還封了膠。綜上所述，該款傳感器十分適合水質環(huán)境的溫度測量。DS18B20溫度傳感器的單總線復位時序圖如圖2所示。

圖2 DS18B20單總線復位時序圖

pH值的檢測主要采用的是pH傳感器模塊。該款傳感器模塊的工作電壓在5±0.2V，檢測的pH值濃度范圍是0-14。pH值檢測的原理主要是將測量電極與參比電極制造成一個整體，測量電極是玻璃電極，而銀氯則化為參比電極。由于被測液體的離子濃度變化會導致測量電極的電位變化，而參比電極的離子濃度是不會變的，所以電位恒定。根據(jù)能斯特方程[4]，我們知道測量極電位、參比電極電位和被測液體pH值之間滿足以下公式：

其中:Ex表示的是復合電極電位（mV），E0表示的是標準電極電位（mV），R表示的是氣體常數(shù)，T表示的是開氏絕對溫度，F(xiàn)表示的是法拉弟常數(shù)。

所以，我們可以通過STM32單片機獲取pH電極的輸出信號，然后通過上述公式，將這個輸出信號轉換成對應的pH值。

濁度傳感器主要是利用光學原理，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況，因為濁度值是一個漸變量，所以在動態(tài)環(huán)境下進行檢測時，傳感器采集的濁度值需要外接控制進行AD轉換，換算得到對應環(huán)境下的濁度情況。由于其帶有防水探頭，所以十分適合于水質環(huán)境的濁度檢測。

電壓采集使用STM32自帶的ADC模塊，STM32擁有 1～3個 ADC（STM32F101/102系列只有 1個ADC），STM32提供的ADC除了可以獨立使用外，還可以使用雙重模式（提高采樣率）。它除了具有18個通道外，還具有16個可測量的外部信號源和2個內部信號源。A/D轉換器具有幾種工作模式，分別是單次模式、連續(xù)模式、掃描模式或間斷模式。數(shù)據(jù)經(jīng)過ADC轉換后的結果可以通過左對齊或右對齊的方式存儲在16位的數(shù)據(jù)寄存器中。我們通過模擬看門狗的特性，允許應用程序檢測輸入的電壓是否超出用戶定義的高/低閾值。采集的電壓比較精準，同時STM32可以對采集到的各個數(shù)據(jù)進行處理，上傳到上位機[5]。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理使用的是STM32F103系列的32位ARM微控制器。這系列芯片都是意法半導體（ST）公司生產(chǎn)的，其搭載的內核是Cortex-M34。該系列芯片的應用很廣，價格低廉，功能強大，安全性較高。同時該芯片還可以工作在低功耗或者睡眠模式，此時的功耗很低，很適合使用在間接傳輸數(shù)據(jù)。

STM32F103系列的芯片，它無需操作系統(tǒng)，也可以像單片機一樣使用Keil C語言進行編程，極大地減少了開發(fā)者的工作量[7]。STM32F103系列的芯片工作頻率為72MHz，里面含有1個高速存儲器（高達128K字節(jié)的Flashmemory和20K字節(jié)的SRAM），豐富的I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。最重要的是，該處理器還含有十分充足的資源，如ADC模塊、通用定時器、PWM定時器，還含有各種各樣的通信接口：如I2C、SPI、USART、USB和CAN 總線。這些資源使得該處理器可以應用在多個領域，如電機驅動、監(jiān)控系統(tǒng)，等等。

ZigBee無線通信模塊采用的是DL-20無線串口透傳模塊。該模塊選用的射頻芯片是由TI公司生產(chǎn)的符合ZigBee標準協(xié)議的射頻芯片——CC2530，其不僅兼容2.4 GHz IEEE802.15.4的通訊協(xié)議，還支持Zig?Bee PRO網(wǎng)絡協(xié)議棧。我們之所以選擇這款射頻芯片的原因是：第一，它的頻段是一個全球通用的頻段；第二，這款無線傳輸模塊的頻段好，而且數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣缺容^快；第三，其還允許系統(tǒng)的共存；第四，該款無線傳輸模塊的天線體積比較小，具有硬件體積小的優(yōu)勢，還滿足了一些特殊設備對狹小空間的要求。因此這芯片十分適合用作水質監(jiān)測的ZigBee無線通信模塊。組網(wǎng)的流程如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)圖

水質監(jiān)測節(jié)點和上位機的交互主要使用的是GPRSA6模塊。該模塊的工作電壓在3.3V-4.2V之間，支持GSM/GPRS的四個頻段，包括850,900,1800,1900MHz。只要在有GPRS網(wǎng)絡的地方都能進行通訊，所以通訊距離能達到很遠。而且其尺寸小、功耗低、工作范圍廣，所以十分適合用于水質檢測。數(shù)據(jù)采集及發(fā)送的流程圖如圖4所示。

由于我們的監(jiān)控節(jié)點一般在水面上，有線供電傳輸是不太可能的，而只使用鋰電池的話，更換電池時又浪費大量的人力物力。所以我們使用了太陽能電池板和鋰電池雙重供電的方法。

太陽光照耀大地時，沒有地域的限制，無論陸地或海洋，都處處皆有。太陽能是很好的能源供給模塊，由太陽能電池板、充放電控制器、鋰電池組成。太陽能供電模塊能很好地為系統(tǒng)提供能源，通過鋰電池的充放電可以讓系統(tǒng)在晚上或者陰天也能夠正常的工作。供電模塊如圖5所示：

圖4 采集數(shù)據(jù)并發(fā)送流程圖

圖5 太陽能供電模塊的結構

3 上位機設計

上位機的設計主要通過圖形化的編程系統(tǒng)，設計者可以輕松的組建監(jiān)控系統(tǒng)，構建良好的人際交互界面。開發(fā)維護較為方便，簡化程序設計。而且可以輕松的保存所有的數(shù)據(jù)在電腦上，以便隨時調用出來。水質環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要對終端監(jiān)控節(jié)點進行手動或自動的控制。例如，上位機可以發(fā)送指定指令隨時獲得任意一個節(jié)點的水質數(shù)據(jù)，也可以通過上位機設置每個節(jié)點定時發(fā)送數(shù)據(jù)。運行監(jiān)控軟件的主機，需要固定的IP地址或者能夠進行動態(tài)域名解析到固定域。圖6是上位機的界面圖。通過上位機還可以輕松的查看一整天的數(shù)據(jù)波形，對水質環(huán)境進行分析。

圖6 上位機界面圖

4 結語

本系統(tǒng)設計是基于STM32芯片和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡為底層節(jié)點，通過GPRS無線通信模塊和上位機進行信息的交流，最終形成一個功能十分強大的水質環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。這款監(jiān)控系統(tǒng)可以通過底層的終端節(jié)點，來監(jiān)測水質的pH值、水質的濁度和水的溫度等的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)。我們可以通過這些水質數(shù)據(jù)，進行相關的行動與措施。這樣可以減少工作人員的工作量，提高工作效率，合理地利用資源。通過測試，我們的這款水質監(jiān)測軟件，其操作界面簡單、功能齊全、成本低，具有極高的應用價值。