基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 興，岳學(xué)軍，林 濤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)是為水利、環(huán)保等部門合理開發(fā)利用和保護(hù)水土資源，并提供系統(tǒng)水質(zhì)資料的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作.傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)方式基本都是采用人工定期去監(jiān)測(cè)水域并提取相關(guān)水環(huán)境信息，現(xiàn)有的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法主要分為2 種:1)便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析;2)由監(jiān)控中心和若干個(gè)監(jiān)測(cè)子站組成的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)［1-2］.前者無法對(duì)水環(huán)境實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、針對(duì)性差、數(shù)據(jù)采集慢等問題，不易及早發(fā)現(xiàn)污染源并報(bào)警.后者雖能較好地解決上述不足，但由于必須預(yù)先鋪設(shè)電纜和建立多個(gè)監(jiān)測(cè)子站，存在監(jiān)測(cè)范圍有限、系統(tǒng)成本高等缺點(diǎn).因此，改變傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的水環(huán)境測(cè)量，建立起智能化的水環(huán)境無線監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)對(duì)農(nóng)林水利相關(guān)產(chǎn)業(yè)及相關(guān)部門均具有重要的意義［3-6］.

本研究針對(duì)現(xiàn)有水環(huán)境監(jiān)測(cè)所存在的問題，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開展了水環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作，以完成對(duì)水環(huán)境常規(guī)指標(biāo)的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控單元和無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元2 部分組成，2 部分之間通過RS232 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.如圖1 所示.上位機(jī)監(jiān)控單元由上位機(jī)監(jiān)控軟件通過串口與無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，獲得網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點(diǎn)的傳感器信息，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)各采集節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史記錄和變化曲線的顯示.

無線傳感網(wǎng)絡(luò)單元由基于CC2530 模塊建立的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組成，ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的周期性、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System block diagram

2 無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ZigBee2007 協(xié)議結(jié)構(gòu).協(xié)議遵循以下原則:水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)(ZigBee 終端節(jié)點(diǎn))主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集;無線路由節(jié)點(diǎn)(Router)只承擔(dān)數(shù)據(jù)計(jì)算與轉(zhuǎn)發(fā)的通訊任務(wù);數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(Gateway)負(fù)責(zé)與上位機(jī)的雙工通信.ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有協(xié)調(diào)器組網(wǎng)功能，新增的節(jié)點(diǎn)，如路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)均可靈活地加入數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)中，可滿足構(gòu)建大規(guī)模系統(tǒng)的要求［7-9］.ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采用CC2530 模塊作為核心芯片，該芯片支持Zig-Bee 和IEEE 802.15.4 等多種標(biāo)準(zhǔn).

2.1 水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)終端采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感單元、處理單元、無線通訊單元和電源單元4 個(gè)基本單元組成，如圖2 所示，根據(jù)外接的不同類型單、多參數(shù)傳感器，水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)或者同時(shí)具有常規(guī)指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)能力.

傳感單元由傳感器和A/D 電路模塊組成，負(fù)責(zé)水環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)的采集和模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換.傳感器選擇上海三信的pH、ORP、溶解氧傳感器201T-S 塑殼pH/ATC 三復(fù)合電極、301Pt-S 塑殼ORP 復(fù)合電極和DO500 溶解氧電極多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)傳感器，可同時(shí)測(cè)量多種水質(zhì)參數(shù)，包括pH、ORP、溶解氧和溫度等參數(shù).

處理單元負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理，包括存儲(chǔ)、處理和發(fā)送傳感單元采集的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)發(fā)、處理其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù).

無線通訊單元負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，交換、控制信息，收發(fā)、采集數(shù)據(jù).

電源單元是傳感器節(jié)點(diǎn)最重要的單元之一，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)中各單元的電源供應(yīng).

圖2 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the end-node

采集節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)傳感器類型和工作狀態(tài)的切換，從而獲得多種類型的水質(zhì)參數(shù);傳感器可直接掛接無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)后潛入水中直測(cè)，無需收集樣品，測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大調(diào)理電路進(jìn)行放大，使得處理器可以進(jìn)行A/D 采樣，得到水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，所制作的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3 所示.

目前，大部分無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境信息采集主要采用定時(shí)固定采集并上傳的方式［2-5］，其信息采集方式還較為單一，沒有充分利用系統(tǒng)可雙向通信的特點(diǎn)，考慮較為靈活的信息采集方式.終端節(jié)點(diǎn)在環(huán)境信息采集方面考慮了較為靈活的多樣化信息采集方式，設(shè)計(jì)了定時(shí)采集、指令采集2 種信息采集方式.定時(shí)采集為固定每隔一段時(shí)間則向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感器采集到的信息;指令采集則由上位機(jī)軟件發(fā)送采集指令給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器向指定的終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求.軟件流程如圖4 所示.終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)將直接或間接(經(jīng)路由節(jié)點(diǎn))到達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).

圖3 多源信息融合水質(zhì)參數(shù)測(cè)量實(shí)物圖Fig.3 Photo of device for the water parameters measurement by multi-source information combination

圖4 終端采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.4 The software flow chart of the end device

2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)提供水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間，水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線中繼傳輸功能，通過采用自組織多跳路由方式，無線路由節(jié)點(diǎn)可極大的提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)聂敯粜院涂煽啃?

路由節(jié)點(diǎn)在硬件上只需要一個(gè)CC2530 模塊即可，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.軟件上，ZigBee 執(zhí)行基于用于AODV專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，簡(jiǎn)化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò).

2.3 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)由CC2530 模塊和TTL 電平轉(zhuǎn)換模塊組成，通過RS232 數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)相連，與上位機(jī)進(jìn)行雙工通信.該節(jié)點(diǎn)將各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳送給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)發(fā)送指令給數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，控制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息的發(fā)送.

3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用C#語言編寫，C#是微軟開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，是微軟NET 開發(fā)環(huán)境的重要組成部分.Visual studio net 包含Visual C#，這是通過功能齊全的代碼編輯器、項(xiàng)目模板、設(shè)計(jì)器、代碼向?qū)?、功能?qiáng)大且易于使用的調(diào)試器以及其他工具實(shí)現(xiàn)的.通過NET Framework 類庫(kù)，可以訪問多種操作系統(tǒng)服務(wù)和其他有用的精心設(shè)計(jì)的類，這些類可顯著加快開發(fā)周期［10-12］.C#是面向?qū)ο蟮?，編寫方便靈活、功能強(qiáng)大、易于實(shí)現(xiàn).本設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件使用C#窗體控件、SerialPort 類、圖表控件Chart 和數(shù)據(jù)庫(kù)操作，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、數(shù)據(jù)曲線圖、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設(shè)置等功能，上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示.

圖5 上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 The system architecture of the monitoring software on the host computer

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)首先在室內(nèi)按系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)和測(cè)試，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行集成測(cè)試，在系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn).

測(cè)試地點(diǎn)選取在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山區(qū)西湖，如圖6 所示.西湖長(zhǎng)約250 m、寬約50 m，最窄處約20 m，水域面積約為10 000 m2.共部署了6 個(gè)水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)協(xié)調(diào)器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的距離分別為20、50、80、100、120 和150 m.

圖6 無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署圖Fig.6 The deployment diagram of wireless monitoring node

無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔設(shè)為10 s，在不同距離將其采集的信息傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)串口數(shù)據(jù)線傳輸至上位機(jī).其中水溫、pH、空氣溫濕度的變化數(shù)據(jù)和曲線圖如圖7 所示.

圖7 上位機(jī)監(jiān)控軟件界面Fig.7 The interface of the monitoring software on the host computer

4.2 丟包率測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)中各終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接收到的各終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包來計(jì)算其數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率，用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:P—數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率，Nr—協(xié)調(diào)器接收正確數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù);Ns—終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù).測(cè)試結(jié)果如表1 所示.

表1 不同距離下數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率Tab.1 The success rate of sending data packet from different distances

從表1 數(shù)據(jù)可知，其通信質(zhì)量隨距離增加呈下降趨勢(shì)，但在150 m 范圍內(nèi)，其成功率均達(dá)90%以上，這是由于在水域環(huán)境下，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間無線信號(hào)是在水面上傳播，其傳播路徑上基本沒有障礙物的阻擋，是比較理想的自由空間視距直線傳播方式［13-14］.

需要說明的是，在試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是普通CC2530 模塊，其發(fā)射功率被設(shè)置為-0.5 dBm，用于對(duì)試驗(yàn)水面實(shí)施無線覆蓋.在實(shí)際水環(huán)境無線監(jiān)測(cè)工程中，還要具體根據(jù)監(jiān)測(cè)水域大小，所需通信距離等實(shí)際情況，選擇和配置具有適當(dāng)功率的無線模塊，以擴(kuò)大水域無線覆蓋面積和提高傳輸質(zhì)量［14］.

4.3 功耗測(cè)試

通過在直流電源處串聯(lián)小電阻，使用示波器可查看到無線節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換及其功耗變化情況.具體測(cè)試方法為:在測(cè)試一個(gè)工作周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)變換情況時(shí)，在直流電源處串聯(lián)的是一個(gè)10 Ω 的小電阻;在測(cè)試節(jié)點(diǎn)休眠工作狀態(tài)時(shí)，由于休眠工耗太低，需串聯(lián)1 個(gè)260 Ω 的電阻.

在示波器上，測(cè)量得到的無線節(jié)點(diǎn)各工作狀態(tài)指標(biāo)如下:無線點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)持續(xù)時(shí)間為2 s，電流為340 mV/10 Ω=34 mA，每個(gè)采集周期工作1次;發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)的電流約為270 mV/10 Ω=27 mA，每次發(fā)送或接收工作持續(xù)為4 s.喚醒平均電流為40 mV/10 Ω=4 mA，每次喚醒工作時(shí)間持續(xù)約為4 ms;節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)時(shí)電流約為2 mV/260 Ω=0.007 6 mA.

使用下式計(jì)算功耗:

耗電量=工作電流×工作時(shí)間×周期內(nèi)平均工作次數(shù).

按照水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集周期為1 h，喚醒時(shí)間間隔為2 s，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為15 s 進(jìn)行計(jì)算，可得到4 種工作狀態(tài)功耗值(表2).

從表2 可知，1 h 4 種工作狀態(tài)內(nèi)總功耗為:146 425.3 mA·ms，約0.040 6 mA·h，1 節(jié)3.7 V 的鋰電池，以3.3 V 截至電壓為限，其容量大約在1 200 mA·h，由此推算出節(jié)點(diǎn)可工作時(shí)長(zhǎng)為:1 200/0.040 6=29 556.6 h，約1 231.5 d.因此，采用本文設(shè)計(jì)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可滿足長(zhǎng)時(shí)間野外水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的要求.

表2 4 種工作狀態(tài)功耗計(jì)算Tab.2 The power consumption of four working status

為比較本文設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與其他典型的無線節(jié)點(diǎn)的能耗對(duì)比情況，表3 給出了幾個(gè)典型的無線節(jié)點(diǎn)在各工作狀態(tài)下的電流.

表3 典型無線節(jié)點(diǎn)電流Tab.3 The electricity typical wireless node mA

從表3 可見，本文設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的喚醒電流和休眠電流均比IMote，Micaz，Mica2DOT 低，發(fā)送和接收電流低于IMote 和Mica2DOT，基本與Micaz相當(dāng)，所以，綜合比較之下，本文設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)相比以上節(jié)點(diǎn)具有低能耗的優(yōu)勢(shì)，在能源供給相同的條件下，可以維持更長(zhǎng)的工作壽命.

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、針對(duì)性差、數(shù)據(jù)采集慢的問題，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由自主定制的水質(zhì)無線監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心組成，采用了基于ZigBee 協(xié)議的無線通信技術(shù)和低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山區(qū)西湖的運(yùn)行部署和通信質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在150 m 的距離內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸成功率在90%以上，在電池容量為1 200 mAh 時(shí)，可連續(xù)工作1 231 d 以上，滿足了對(duì)水域環(huán)境實(shí)施長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)工作的要求.

本文所做的工作還存在許多不足和有待改進(jìn)的地方，在現(xiàn)有的研究和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮對(duì)系統(tǒng)做出如下改進(jìn):

1)系統(tǒng)的可再生能源供電設(shè)計(jì)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問題，因此，將考慮在水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入可再生的風(fēng)能和太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更加節(jié)能和環(huán)保.2)無線節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率自尋優(yōu)算法設(shè)計(jì).無線節(jié)點(diǎn)之間距離不同，所需發(fā)射功率也不盡相同，將進(jìn)一步研究發(fā)射功率自尋優(yōu)設(shè)計(jì)算法，既可滿足對(duì)監(jiān)測(cè)水域的有效覆蓋，又可有效地降低無線節(jié)點(diǎn)用于無線通信的功率消耗.

［1］王驥，王筱珍，任肖麗，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(3):247-251.

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