摘 要： 針對現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測手段中實(shí)時(shí)性差,、監(jiān)測覆蓋率小,、機(jī)動(dòng)監(jiān)測能力差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測終端,。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)測終端的動(dòng)態(tài)分布式組網(wǎng),，從而在大范圍水域內(nèi)構(gòu)建多個(gè)配置靈活、布置迅速的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),，最終獲得大量有價(jià)值的水質(zhì)數(shù)據(jù),，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。測試結(jié)果表明,，該水質(zhì)監(jiān)測終端可靠性高,，檢測精確。

　　關(guān)鍵詞： 水質(zhì)監(jiān)測,；數(shù)據(jù)采集,；ZigBee

0 引言

　　近些年來,，我國在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也伴隨著水資源的過度開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞,。水質(zhì)監(jiān)測作為水資源保護(hù)重要的工作基礎(chǔ)和技術(shù)支撐,，其準(zhǔn)確性、及時(shí)性,、可靠性被賦予更高的要求[1],。目前國內(nèi)主要有實(shí)驗(yàn)室與自動(dòng)監(jiān)測站兩種水質(zhì)監(jiān)測方式，這兩種監(jiān)測方式均需交流電供電,，設(shè)備沉重復(fù)雜,，造價(jià)和維護(hù)成本極高，使其在河流,、湖泊等水域中使用受到限制,。此外，國內(nèi)流域眾多,，地形復(fù)雜,，水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率低，現(xiàn)場采樣能力不足[2],。水質(zhì)監(jiān)測工作難以突破瓶頸,。

　　為了提高水質(zhì)監(jiān)測覆蓋率,，提高水質(zhì)監(jiān)測工作效率,，本文設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)監(jiān)測終端，利用ZigBee無線傳感技術(shù),，通過自組網(wǎng)方式在目標(biāo)水域內(nèi)形成動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳傳輸、可自修?fù)的無線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),。建立網(wǎng)絡(luò)后,，各終端利用水質(zhì)傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)匯總所有水質(zhì)數(shù)據(jù),，上傳到上級(jí)監(jiān)測站進(jìn)行處理,。整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對水體影響小，監(jiān)測范圍廣,，監(jiān)測密度大,，能對大范圍水域進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測。

1 整體框架

　　在水質(zhì)監(jiān)測中,，PH,、溫度、電導(dǎo)率,、混濁度,、溶解氧是反應(yīng)水體綜合特征的重要參數(shù),，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理,、環(huán)境監(jiān)測方面都必不可少,，依此設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測終端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測終端主要由CC2430主控制器,、數(shù)據(jù)采集模塊,、供電模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成,。CC2430主控制器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和無線數(shù)據(jù)收發(fā),；數(shù)據(jù)采集模塊由水泵、液位傳感器,、水質(zhì)傳感器調(diào)理電路組成,，協(xié)同完成5項(xiàng)水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的采集并發(fā)往CC2430主控制器；終端的能源供應(yīng)采用太陽能蓄電池供電,；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)在通信不暢的情況下保存終端的水質(zhì)數(shù)據(jù),，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，更好地維護(hù)水質(zhì)數(shù)據(jù)的安全性,。水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)利用ZigBee無線傳感技術(shù)匯總多個(gè)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù),，并依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對目標(biāo)水體進(jìn)行水質(zhì)分類，最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)水域的全面監(jiān)控與綜合評測,。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　本文選用TI公司的CC2430作為監(jiān)測終端的主控制器,，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,、供電模塊等外接于主控制器構(gòu)建硬件平臺(tái),。由于水質(zhì)傳感器種類較多，原理各不相同,，在此對主要的幾類水質(zhì)傳感器及其接口電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,。

　　2.1 PH值測量電路

　　本設(shè)計(jì)采用玻璃電極法測量PH值，其工作原理是：當(dāng)目標(biāo)水體的離子氫濃度發(fā)生變化時(shí),，指示電極和參考電極之間的電勢差也會(huì)產(chǎn)生變化,，由此可測得水溶液PH值[3]。本文使用的PH電極型號(hào)為E201-C,，其內(nèi)阻較高,，在109Ω以上，PH值與輸出電壓之間滿足線性關(guān)系59 mV/PH,，當(dāng)PH=7時(shí)輸出電壓約為0,，輸出電壓呈兩極性且范圍較小。根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)PH值測量電路如圖2所示,。

　　為了與PH復(fù)合電極的高阻抗匹配,，電路中選用了高輸入阻抗低噪聲的CA3140運(yùn)算放大器。利用TL431和CA3140為PH的參考電極提供一個(gè)合適的正向偏置電壓,，使其輸出電壓能適用于CC2430內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路,。在指示電極處接入一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，然后經(jīng)一正向比例放大器進(jìn)行信號(hào)放大得到輸出電壓,。PH電極的電勢差V可用如下公式計(jì)算得出：

　　式中,，Vout為PH測量電路的輸出電壓，Vref為參考電極上的偏置電壓,。

　　溶解氧測量電路的設(shè)計(jì)方法類似,，在此不再贅述。

　　2.2 電導(dǎo)率測量電路

　　電導(dǎo)率傳感器根據(jù)測量原理不同可以分為電極型傳感器,、電感型傳感器以及超聲波型傳感器[4],。本文選用DJS-0.1C電極型電導(dǎo)率傳感器，采用電阻測量法來得到電導(dǎo)率,，其測量電路如圖3所示,。為了防止在測量過程中電極出現(xiàn)極化反應(yīng)，本設(shè)計(jì)采用文氏電橋振蕩器來產(chǎn)生一個(gè)頻率為2 kHz,、幅值為1 V的正弦波作為電極的激勵(lì)源,。電極與水體組成電導(dǎo)池，并可等效成電阻RX,，RX與R9,、CA3140構(gòu)成一個(gè)反比例放大器，將正弦激勵(lì)源放大,。由于不同水樣的電導(dǎo)率不盡相同,，通過對正弦波放大系數(shù)的計(jì)算就可以得到等效電阻，近而算出水樣的電導(dǎo)率,。由于A/D無法處理交流信號(hào)，因而在電路中加入由雙運(yùn)放LM358構(gòu)成的峰值檢波電路,，提取峰值電壓后再送給A/D,。目標(biāo)水體的電導(dǎo)率S可用如下公式計(jì)算得出：

　　式中，Vout為測量電路的輸出電壓,，K為電導(dǎo)池參數(shù),，取0.1 cm。

　　2.3 混濁度測量電路

　　在混濁度測量上,，本文選用GE公司的TS光學(xué)濁度傳感器,，傳感器內(nèi)部采用紅外發(fā)光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，通過檢測其透射光強(qiáng)度來檢測溶液混濁度,。由于不同溶液含有的雜質(zhì)和塵埃顆粒的大小與密度不同,，透射光強(qiáng)也有所不同，接收端的光電三極管則根據(jù)光強(qiáng)大小產(chǎn)生不同的光電流,，經(jīng)過濾波放大后即可得到與混濁度相關(guān)的檢測信號(hào)[5],。其測量電路如圖4所示。為保證光源的穩(wěn)定性,，本設(shè)計(jì)采用基于精密電壓基準(zhǔn)芯片MAX6126的恒流源驅(qū)動(dòng)方式,。在輸出端用OP07實(shí)現(xiàn)IV轉(zhuǎn)換，將光電三極管輸出的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~500 mV的電壓信號(hào),。轉(zhuǎn)換后的電壓仍然非常微弱,，所以接入了一個(gè)放大電路。放大電路使用AD623和少量外部原件搭建一個(gè)改進(jìn)的三儀表放大電路,。IV轉(zhuǎn)換后的毫伏級(jí)電壓由正相端輸入,，反向端由+5 V分壓后提供一個(gè)1 mV參考電壓。R7為外置增益設(shè)置電阻,，取為11 kΩ,設(shè)置輸入信號(hào)放大10倍,。

　　2.4 供電模塊

　　考慮到終端需要長期在戶外工作，所以采用太陽能板和蓄電池供電的方式,。設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊對電壓需求不盡相同,，供電模塊如圖5所示。由于監(jiān)測終端上設(shè)計(jì)有水泵控制電路,，水泵工作時(shí)的大電流可能影響主控芯片,，使主控芯片出現(xiàn)異常，進(jìn)而導(dǎo)致癱瘓,。設(shè)計(jì)中使用隔離穩(wěn)壓,、正負(fù)雙路輸出的DCDC電源芯片AS1212，實(shí)現(xiàn)水泵和其他模塊的隔離,，以保證監(jiān)測終端正常工作,。兩路輸出電壓，一路接入2596可調(diào)開關(guān)穩(wěn)壓芯片輸出10 V電壓供水泵使用,，另一路分別經(jīng)過7805,、7905、1117線性穩(wěn)壓芯片得到±5 V電壓以及3.3 V電壓供CC2430芯片和其他模塊使用,。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測終端的應(yīng)用程序在Z-Stack協(xié)議棧上進(jìn)行開發(fā),。Z-Stack是TI公司為ZigBee開發(fā)專門編寫的基于事件輪詢機(jī)制的協(xié)議棧，協(xié)議棧符合ZigBee2006規(guī)范,，并支持多種平臺(tái),。協(xié)議棧由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層,、應(yīng)用層4個(gè)部分組成,，自組網(wǎng)功能已在協(xié)議棧內(nèi)實(shí)現(xiàn)，用戶只需要在應(yīng)用層添加特定的事件處理函數(shù)即可,，開發(fā)簡單而高效[6],。

　　監(jiān)測終端作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，在上電后首先完成OSAL系統(tǒng)初始化,，然后搜索,、篩選最可靠的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提出加入請求，成功加入后就準(zhǔn)備隨時(shí)接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的命令開展水質(zhì)采集任務(wù),。

　　鑒于Z-Stack是一個(gè)基于輪詢機(jī)制的協(xié)議棧,，而水質(zhì)傳感器的響應(yīng)速率不高。短時(shí)間內(nèi)頻繁地采集水質(zhì)數(shù)據(jù),，意義不大,。長時(shí)間停留在一個(gè)任務(wù)處理函數(shù)內(nèi)雖然可以采集有效的數(shù)據(jù)，但Z-Stack協(xié)議棧內(nèi)其他系統(tǒng)任務(wù)則無法正常運(yùn)行,。本設(shè)計(jì)充分利用了Z-Stack多任務(wù)處理的特點(diǎn),，將水質(zhì)采集任務(wù)劃分為多個(gè)階段性的任務(wù)，一方面保證了Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行的實(shí)時(shí)性,，另一方面多個(gè)時(shí)間點(diǎn)對同一水樣的數(shù)據(jù)采集規(guī)避了數(shù)據(jù)的偶然性,，提高了水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。水質(zhì)采集任務(wù)的細(xì)化程序流程如圖6所示,。

　　本設(shè)計(jì)將水質(zhì)采集任務(wù)劃分為指令解析,、水樣抽取、水樣檢測,、水質(zhì)數(shù)據(jù)處理發(fā)送,、水樣排放5個(gè)階段性任務(wù)，分別編寫事件處理函數(shù),，并對各個(gè)階段任務(wù)定義了狀態(tài)碼,，以說明監(jiān)控終端當(dāng)前的工作狀態(tài)。終端可以根據(jù)每個(gè)階段任務(wù)的完成情況,，迅速?zèng)Q策下一階段任務(wù),，并將其報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

4 測試與結(jié)果

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求,，針對水質(zhì)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和無線網(wǎng)絡(luò)的通信性能進(jìn)行了測試。按照水域環(huán)境功能的不同,，分別從3處水域收集水質(zhì)樣本,。同樣的水質(zhì)樣本分別使用本文設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測終端和實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)監(jiān)測儀進(jìn)行數(shù)次測量取得平均值，表1為水質(zhì)測試數(shù)據(jù)。從表1中可看出,，系統(tǒng)的水質(zhì)測量值與實(shí)際值數(shù)據(jù)基本吻合,，偏差很小，能夠準(zhǔn)確識(shí)別水樣的水質(zhì)類型,，可靠性強(qiáng),。

　　ZigBee組網(wǎng)的穩(wěn)定性和傳輸距離的測試結(jié)果如表2所示。從表2可看出,，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在一定距離范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸,，通信距離達(dá)80 m時(shí)，丟包率顯著上升,。因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)在60 m左右組網(wǎng)丟包率低,，符合設(shè)計(jì)要求。

　　本文采用ZigBee無線傳感技術(shù)和智能水質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)了一種無線實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測終端,。利用無線傳感網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢,，多個(gè)終端可以協(xié)同工作，迅速在目標(biāo)水域布置水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),，得到動(dòng)態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),。該終端結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn),，工作穩(wěn)定,，非常適于在野外水域進(jìn)行大面積、大數(shù)據(jù)量,、連續(xù),、準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測，對現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)做出較好的補(bǔ)充,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 王麗偉,黃亮,郭正,等. 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站技術(shù)與應(yīng)用指南[M].鄭州:黃河水利出版社, 2008.

　　[2] 蘇紅永. 淺議水質(zhì)分析的意義與內(nèi)容[J]. 低碳世界, 2014(1): 96-97.

　　[3] 陳朝東. 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)問答[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

　　[4] 周明軍,尤佳,秦浩,等. 電導(dǎo)率傳感器發(fā)展概況[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2010,29(4):9-11.

　　[5] 扈剛,王干一. 渾濁度傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 傳感器技術(shù), 2005,24(5):43-46.

　　[6] Shahin F. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. UK:Newnes,2008.