才通信基于ZigBee水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感方案

根據(jù)現(xiàn)階段對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能要求，搭建了一個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，可以滿足不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求，只需更換相應(yīng)的傳感器。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心模塊由主控MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210組成。 

1 引言 

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的特點(diǎn)，近年來(lái)，在許多國(guó)家地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)地表水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和MSP430主控芯片對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟硬件各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)與采集、ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收發(fā)幾部分功能，為同類型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)品提供了可兼容的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)。

2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需求 

本文提出的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于建立野外大范圍、具有自組網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒍嗵鴤鬏敽妥孕迯?fù)功能的ZigBee無(wú)線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 ZigBee無(wú)線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)示意圖

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集到的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)增強(qiáng)型ZigBee接收轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)浇�端的監(jiān)測(cè)基站或遠(yuǎn)端的水質(zhì)監(jiān)控中心后，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，數(shù)據(jù)分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員注意對(duì)應(yīng)區(qū)域的環(huán)境異常，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

各水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單元根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求，可安裝在河流、水庫(kù)、工業(yè)廢水排污口等指定地點(diǎn)，以野外無(wú)人值守方式工作，通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器采集含氧量、混濁度、COD、BOD、pH值等數(shù)據(jù)信息，通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)上傳到上級(jí)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行處理。建立一個(gè)可以組合不同的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，形成針對(duì)不同測(cè)試環(huán)境可任意組合的多功能水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)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)廢水污染源主要在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)可知，對(duì)不同的區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)，所需要測(cè)量的水質(zhì)指標(biāo)不同，通常需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多種水質(zhì)指標(biāo)，并要求根據(jù)不同測(cè)試環(huán)境選擇選擇不同的傳感器組合配置；

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，節(jié)點(diǎn)分布較散，只能采用內(nèi)部電源供電，為延長(zhǎng)內(nèi)部電源的工作周期，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須具備節(jié)能工作的功能；

3）多拓?fù)涠喙?jié)點(diǎn)無(wú)線通訊：對(duì)某片水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要在目標(biāo)流域內(nèi)布置大量監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)將采集到的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到中央控制系統(tǒng)，完成目標(biāo)流域的數(shù)據(jù)采集。節(jié)點(diǎn)的空間分布在不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境中差異較大，例如對(duì)水庫(kù)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)，需要將大量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沿著河流沿岸分布，形成鏈狀結(jié)構(gòu)。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)通訊的功能；

4）設(shè)備成本：由于監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的布網(wǎng)需要大量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此應(yīng)考慮成本問(wèn)題，盡可能精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本。

3 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 

3.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì) 

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心模塊由主控MCU MSP430和ZigBee通訊模塊組成，主控芯片外圍連接若干種針對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)不同水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的組合形成針對(duì)不同測(cè)試環(huán)境可任意組合的多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)收發(fā)主要由CM210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(wú)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)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器模塊的接口按照標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通訊接口設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化，具有良好的可擴(kuò)展性。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。 

圖2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)框圖

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 

3.2.1 主控MCU

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中主控MCU的選擇是至關(guān)重要的，本設(shè)計(jì)中，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心模塊的主控芯片選用16位單片機(jī)MSP430F147。 MSP430系列單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力和超低功耗的特點(diǎn)，尤其適用于使用電池供電，要求長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)方案在MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)8通道ADC、RS422總線接口和I²C總線接口分別實(shí)現(xiàn)傳感器輸出的模擬信號(hào)采集、串行數(shù)據(jù)采集和I²C數(shù)據(jù)采集；通過(guò) I/O口驅(qū)動(dòng)的MOS管，負(fù)責(zé)控制傳感器模塊的電源，在采集停止或長(zhǎng)期休眠狀態(tài)下關(guān)閉傳感器模塊電源，減小系統(tǒng)的電流消耗；通過(guò)UART接口與ZigBee模塊通訊，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送與命令接收。

3.2.2 ZigBee通訊模塊

ZigBee無(wú)線通訊模塊選用ZigBee處理芯片CM210，該芯片是專為ZigBee及IEEE 802.15.4應(yīng)用設(shè)計(jì)的SoC芯片。CM210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(guò)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。

CM210的8051內(nèi)核通過(guò)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。CM210在應(yīng)用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對(duì)CM210進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊虝r(shí)，利用Basic RF層提供的通訊API函數(shù)，可以極為便捷地實(shí)現(xiàn)用戶的程序工作量，無(wú)需進(jìn)行硬件抽象層的各種繁雜設(shè)置和狀態(tài)處理。

3.2.3 傳感器接口模塊

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊接口按照標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通訊接口設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化，具有良好的可擴(kuò)展性。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)傳感器接口結(jié)構(gòu)如圖3所示。針對(duì)模擬接口傳感器，主控模塊為傳感器預(yù)留了8通道AD接口，可以連接8路4-20mA、1-5V的模擬接口傳感器；針對(duì)數(shù)字接口傳感器，主控模塊設(shè)計(jì)了RS422總線接口和I2C總線接口，以后還可以利用MSP430的剩余資源擴(kuò)展出SPI接口，總線接口可以連接多個(gè)傳感器。

圖3 水質(zhì)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)傳感器接口

出于低功耗設(shè)計(jì)的考慮，加入傳感器模塊的電源控制電路，通過(guò)I/O口控制MOS開(kāi)關(guān)管，在系統(tǒng)休眠時(shí)切斷傳感器電源輸出，以減小低功耗模式下的系統(tǒng)電流損耗，延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)間。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)傳感器模塊電源，上電保持10秒后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，采集完成后通過(guò)MOS管切斷傳感器供電，MSP430與CM210再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.2.4 電源模塊

結(jié)合水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)要求低功耗、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。相比鉛酸蓄電池的能量比小，重量大，對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，電解液需要定期維護(hù)，以及太陽(yáng)能電池成本高，體積大而言，鋰亞硫酰氯電池具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)核心模塊CM210和ZigBee采用低功耗設(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，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，且可以有效降低節(jié)點(diǎn)的體積和重量。

3.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要利用MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210負(fù)責(zé)信息的采集控制與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。MSP430負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)上各個(gè)水質(zhì)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，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行粗比對(duì)，判斷是否有數(shù)據(jù)超標(biāo)，有則先向監(jiān)測(cè)基站發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)命令，再按一定格式打包，通過(guò)UART接口發(fā)送到ZigBee模塊進(jìn)行傳輸；ZigBee模塊由監(jiān)測(cè)基站或遠(yuǎn)端監(jiān)控中心發(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。軟件工作流程見(jiàn)圖4。 

圖4 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖 

在調(diào)試模式下對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上各個(gè)輸入端口的傳感器類型進(jìn)行設(shè)定，存儲(chǔ)到片內(nèi)FLASH；在調(diào)試模式下對(duì)傳感器精度進(jìn)行標(biāo)校，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式及標(biāo)校參數(shù)存儲(chǔ)到片內(nèi)FLASH；在模塊初始化時(shí)讀取外部模塊初始數(shù)據(jù)，判斷各功能模塊通訊與工作是否正常。

另外，MSP430會(huì)將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上各個(gè)輸入傳感器的類型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式和標(biāo)校參數(shù)存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash，例如接口1為pH值監(jiān)測(cè)傳感器，SensorType[1]=0x01；接口2含氧量監(jiān)測(cè)傳感器，SensorType[1]=0x02；接口3為渾濁度監(jiān)測(cè)傳感器，SensorType[1]=0x0d；這些寄存器值在程序中預(yù)先定義并在節(jié)點(diǎn)配置時(shí)根據(jù)實(shí)際連接情況設(shè)置。處理程序根據(jù)SenserType的設(shè)定值為每個(gè)傳感器輸入數(shù)據(jù)選擇相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)換公式的參數(shù)，即傳感器的標(biāo)校參數(shù)，在調(diào)試狀態(tài)下進(jìn)行逐一標(biāo)定并存儲(chǔ)，以使每路傳感器的采集精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 性能分析和總結(jié) 

本文將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與通訊，而使水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以大范圍鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌控。CM210的低功耗設(shè)置，使節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間有效延長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)采用增強(qiáng)型ZigBee模塊，增加了射頻發(fā)射功率，保證了節(jié)點(diǎn)間通訊距離達(dá)到3公里，滿足野外大范圍組網(wǎng)的需求。但是當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)且節(jié)點(diǎn)到定位點(diǎn)之間需要經(jīng)過(guò)多跳路由時(shí)，不能保證定位精度，如果需要獲取精確的節(jié)點(diǎn)位置信息，還需要通過(guò)GPS設(shè)備，建立基于GIS的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)。