基于ZigBee的校園湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)

何蕊 儲(chǔ)瑛 顏奔 周紅明

摘要：本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于校內(nèi)湖泊的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，能方便解決水質(zhì)的采集、傳輸和處理等問(wèn)題。通過(guò)溫度傳感器，pH值傳感器、溶解氧傳感器以及電導(dǎo)率傳感器構(gòu)成的水質(zhì)參數(shù)采集模塊采集校園湖泊水質(zhì)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，處理后通過(guò)ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

Abstract： In this paper， ZigBee technology is applied to the water quality monitoring of lakes in the school for test verification， which can easily solve the problems of water quality collection， transmission and processing. The water quality parameter collection module consisting of temperature sensor， pH sensor， dissolved oxygen sensor and conductivity sensor collects the water quality parameters of the campus lake， and transmits the data to the single chip for processing. After processing， the data is transmitted to the upper position through the ZigBee communication module. Machine， thus achieving a small water quality monitoring system.

關(guān)鍵詞：ZigBee;水質(zhì)監(jiān)測(cè);無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);湖泊

Key words： ZigBee;water quality monitoring;wireless remote monitoring;wireless sensor network;lake

中圖分類號(hào)：X832 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0171-03

0 ?引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，水污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重，為了讓人類和水生生物生活在一個(gè)健康的水源環(huán)境中，對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。相對(duì)大多數(shù)的無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些技術(shù)使得ZigBee可以和無(wú)線傳感器完美的結(jié)合在一起，并且，ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和開發(fā)已受到越來(lái)越多的關(guān)注。

本文以本校博思湖為研究對(duì)象，根據(jù)無(wú)線傳感器的基本理論和博思湖水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，利用水質(zhì)傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)研究設(shè)計(jì)一套在線式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)博思湖水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧和電導(dǎo)率的采集、傳輸和處理等功能。

1 ?發(fā)展意義

早在1970年，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)河流、湖泊等地表水就開展了水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)。主要有美國(guó)YSI的水質(zhì)垂直剖面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，美國(guó)HACH公司的供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

我國(guó)也在2000年9月起，開始實(shí)施全國(guó)主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的建設(shè)項(xiàng)目，已形成了覆蓋全國(guó)十大流域、擁有200多個(gè)子站、能夠及時(shí)反映斷面水質(zhì)狀況和變化的能力。然而我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系仍然存在自動(dòng)化程度低、信息處理不及時(shí)等問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：首先，各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)仍以人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主，不但工作量大，監(jiān)測(cè)效率低，而且很難在短時(shí)間內(nèi)提供水質(zhì)參數(shù)的信息，實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)變化的情況;其次，水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的信息化程度偏低，使得眾多部門的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)客觀上無(wú)法共享。

因此，研究設(shè)計(jì)出一套在線式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)不間斷對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、所有采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)損耗傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端的系統(tǒng)是及其有益的一件事。

2 ?研究目標(biāo)

以玉溪師范學(xué)院博思湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)為主要研究對(duì)象，以自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，采用硬件與軟件相嵌合，理論與實(shí)際相結(jié)合的方式進(jìn)行開發(fā)，旨在建立運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、管理能力強(qiáng)、成本低廉、高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)合博思湖水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，利用水質(zhì)傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)研究設(shè)計(jì)一套在線式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)博思湖水質(zhì)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等功能。

3 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由傳感節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的水質(zhì)監(jiān)測(cè)處理單元;ZigBee 網(wǎng)、DTU 設(shè)備和無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成的傳輸網(wǎng)絡(luò)單元;自動(dòng)監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測(cè)處理單元獲取水中所需水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)單元處理并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若數(shù)據(jù)超出正常值則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。如圖1所示。

3.1 RFD 設(shè)備設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè) RFD 設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，位于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的最前端。傳感器節(jié)點(diǎn)的組成是：電源模塊、傳感器模塊、RF 射頻天線和 CC2530 模塊。傳感器模塊部分包括溫度、 溶解氧、電導(dǎo)率、pH、氨氮等水質(zhì)傳感器及相對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路，系統(tǒng)中采用的CC2530 芯片含有 8051 處理器和ZigBee 無(wú)線收發(fā)器。傳感器模塊采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到 CC2530 的處理器單元進(jìn)行計(jì)算存儲(chǔ)再通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。如圖2所示。

3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成，主發(fā)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和匯聚，任意分布在某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)定期對(duì)水質(zhì)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了向 DTU 發(fā)送數(shù)據(jù)，還要建立、維護(hù)一個(gè)安全可靠的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。GPRS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，打包后通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器;上位機(jī)對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫處理。如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水體環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、顯示、查詢、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析等，通過(guò)該系統(tǒng)可以及時(shí)掌握水質(zhì)變化情況，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，做出相應(yīng)處理策略。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中采用了三層設(shè)計(jì)方法。將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。軟件控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若超出正常值則啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可以由客戶自行打印存儲(chǔ)，系統(tǒng) 24 小時(shí)不間斷地定時(shí)向遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)中心發(fā)送采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

我們的上位機(jī)是基于Qt開發(fā)的，Qt是諾基亞公司的C++可視化開發(fā)平臺(tái)。與Visual C++相比，Qt 簡(jiǎn)單方便、功能完善、跨平臺(tái)、擴(kuò)展能力強(qiáng)，常用于嵌入式開發(fā)。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的 C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架（C++ GUI），能夠?yàn)閼?yīng)用程序開發(fā)者提供建立藝術(shù)級(jí)圖形用戶界面所需的所有功能。它是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴(kuò)展，并且可應(yīng)用于組件編程。如圖5所示。

4 ?總結(jié)

本文結(jié)合了ZigBee技術(shù)，GPRS無(wú)線通信技術(shù)以及編程技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)安全可靠的無(wú)線通信網(wǎng)，最后數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS轉(zhuǎn)換打包發(fā)送給上位機(jī)處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，解決了適應(yīng)傳感器、低端的和面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)的這一問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性、移動(dòng)性，同時(shí)也降低了設(shè)備的成本。

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