胡 嬌1，孫 堅(jiān)1,，王曉薇1,，沈 澍2，3,，鄒志強(qiáng)2,，3

（1.南京郵電大學(xué) 貝爾學(xué)院,，江蘇 南京 210023；

2.南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,，江蘇 南京 210003,；

3.江蘇省無(wú)線傳感網(wǎng)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）

　　摘  要： 為了對(duì)水環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,、傳輸和顯示的全方位處理,，設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線傳感網(wǎng)（WSNs）的水環(huán)境云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及具體組成部分,，包括終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),、簇頭節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和基于Yeelink的遠(yuǎn)程監(jiān)視中心,，并詳細(xì)介紹了各部分的軟硬件設(shè)計(jì),。同時(shí)，支持用戶在手機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集到的水溫,、壓強(qiáng),、pH值等信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試可以看出,，該系統(tǒng)為低成本實(shí)時(shí)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了一套可行的方案,。

　　關(guān)鍵詞： Arduino；水環(huán)境監(jiān)測(cè),；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSNs）,；云端網(wǎng)絡(luò)；Yeelink

0 引言

　　隨著人口膨脹和經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),，環(huán)境污染變得日益嚴(yán)重,，特別是近年來(lái)的水質(zhì)污染。大自然是一個(gè)有機(jī)的整體,，水環(huán)境的惡化不可避免地會(huì)影響整體環(huán)境改變[1],。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)用便攜式儀器進(jìn)行人工檢測(cè)、分析計(jì)算水環(huán)境中微生物的活性情況,，但這些方法或效率低,，或成本高，或精度低,，并且對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境有影響[2-3],。也有人采用開(kāi)源平臺(tái)來(lái)搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但規(guī)模較小,，不適合大面積,、分散的水域監(jiān)測(cè)[4]。直到最近幾年,，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,，WSNs）技術(shù)的引入,，使得監(jiān)測(cè)效率得到大幅度提高[5-6]。但是,，由于水質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及河流湖泊地域的限制,，WSNs實(shí)施起來(lái)比較困難，并且單個(gè)節(jié)點(diǎn)大多數(shù)只能測(cè)量單一數(shù)據(jù),，很難對(duì)水環(huán)境做出正確判斷,，處理的數(shù)據(jù)也是通過(guò)較為傳統(tǒng)的終端機(jī)顯示。

　　本文在WSNs的基礎(chǔ)上,，針對(duì)當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足,，設(shè)計(jì)了一種水環(huán)境云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合,，利用雙核結(jié)構(gòu)將原本單一的傳感器整合在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,，使得單一節(jié)點(diǎn)可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、pH值和壓強(qiáng)等多項(xiàng)數(shù)據(jù),；憑借WSNs技術(shù)布局靈活,、成本低、功耗低,、無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支撐等優(yōu)勢(shì),，解決組網(wǎng)問(wèn)題,，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域的覆蓋,；加入GPS模塊，結(jié)合壓力傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的三維定位,；在數(shù)據(jù)顯示上,，本設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)的終端機(jī)顯示方法，引入當(dāng)前熱門(mén)的云端網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，將數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)處理得到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至云端網(wǎng)絡(luò),，使用戶可以在Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè),。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　為了獲得最佳效果,，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由以下四部分組成：終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),、簇頭節(jié)點(diǎn),、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)視中心。其中終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),、簇頭節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),，如圖1所示。擬定在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署N個(gè)節(jié)點(diǎn)得到N維的原始信號(hào),。接著,，按照分層分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯映射得到M個(gè)簇,，簇頭節(jié)點(diǎn)分別為{B1，B2,，B3,，…，BM},，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集本簇內(nèi)的數(shù)據(jù),；最后，由M個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)把信息匯聚到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn),，由數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)缴蠈拥脑贫司W(wǎng)絡(luò),。因此，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò),，而每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的一簇區(qū)域內(nèi)的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間則構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，以確保能選擇最佳的路由路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　在簇頭節(jié)點(diǎn)上部署GPS定位裝置,，用以提供準(zhǔn)確的參考坐標(biāo),，而在每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的一簇區(qū)域當(dāng)中，采用三邊定位算法來(lái)計(jì)算每個(gè)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo),。結(jié)合壓力傳感器得出的水深,，從而獲得三維坐標(biāo)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)核心處理器選用ATmega328,，其I/O口豐富,，可以支持更多種類(lèi)和更大數(shù)量的傳感器，實(shí)現(xiàn)更多水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)[7],。系統(tǒng)各部分分工合作,，終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)，分析處理后發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn),；簇頭節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本簇內(nèi)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集,；數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和上傳,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2,。

　　2.1 電源模塊

　　節(jié)點(diǎn)采用外部+5 V電源供電，通過(guò)高效線性穩(wěn)壓器AMS1117得到+3.3 V電壓供給無(wú)線傳輸模塊,、數(shù)據(jù)上傳模塊,、GPS模塊和溫度壓強(qiáng)傳感器。而調(diào)理電路工作所需的±5 V電壓則是利用ICL7660得到,，如圖3所示,。

　　2.2 調(diào)理模塊

　　本系統(tǒng)測(cè)量pH值采用雷磁公司的E-201-C傳感器，其輸出信號(hào)為微弱的直流信號(hào)，大小與pH值存在線性關(guān)系,，信號(hào)范圍為-450~+450 mV,，不便于采集。于是通過(guò)調(diào)理模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行線性處理,，最終得到便于采集的0~3 V范圍的電壓信號(hào),。

　　圖3展示的便是調(diào)理電路，由跟隨,、線性放大和反向放大三部分組成,。用VOUT表示調(diào)理電路的輸出，VIN表示pH傳感器信號(hào),，最終兩者間服從關(guān)系如下：

　　這里取R2,、R3、R4,、R7皆為1 k,，則式（1）為：

　　VOUT=VREF-2VIN（2）

　　得到的輸出可直接送至處理器讀取進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于實(shí)際情況多變,，調(diào)理電路的放大倍數(shù)和電平抬升量均是可調(diào)節(jié)的,，可以減小誤差，更好地適應(yīng)多樣化的環(huán)境,。

　　2.3 GPS模塊

　　GPS模塊選用一款與Arduino兼容的GPS擴(kuò)展板,，支持GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，能讓簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息并使用GSM網(wǎng)絡(luò),。同時(shí)在GPS模塊加入GPS記錄單元——Itead Arduino GPS定位導(dǎo)航擴(kuò)展板NEO-6,，可記錄GPS數(shù)據(jù)，方便后期數(shù)據(jù)分析,，改進(jìn)分簇算法,，解決覆蓋率不足等問(wèn)題,。

　　2.4 數(shù)據(jù)上傳模塊

　　數(shù)據(jù)上傳模塊采用以W5100為核心的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊,。W5100內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層,，使用它可以不需要考慮以太網(wǎng)的控制,，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口控制便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。擴(kuò)展版支持SPI接口,，使得W5100可以利用SPI協(xié)議與處理器進(jìn)行通信從而獲取需要上傳的數(shù)據(jù)[7],。

　　2.5 接口電路

　　無(wú)線通信模塊選用CC2530核心板，進(jìn)行邏輯電平匹配后,，使用標(biāo)準(zhǔn)的串口與ATmega328通信,，不僅降低了開(kāi)發(fā)難度，也提升了系統(tǒng)的整體性能。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用了微型數(shù)字型溫度壓強(qiáng)傳感器MS5541C,，其工作于+3.3 V的數(shù)字電壓下,，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可將電壓值直接轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)輸出,，精度高,，支持SPI協(xié)議，在時(shí)鐘（32.768 kHz）的控制下與ATmega328通信,，實(shí)現(xiàn)溫度壓強(qiáng)的測(cè)量[8],。接口電路原理如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序

　　MS5541C是一款綜合了溫度和壓力測(cè)量的微型數(shù)字型傳感器,，可以根據(jù)下式

　　P=P0+ρgh（3）

　　計(jì)算水深,。其中P是水下壓強(qiáng)，P0是大氣壓強(qiáng)（約為1 Pa）,，ρ,、g、h分別是水的密度,、重力加速度和水的深度,。這樣結(jié)合簇頭節(jié)點(diǎn)上GPS模塊可以實(shí)現(xiàn)水域的三維監(jiān)測(cè)。由于壓強(qiáng)傳感器的輸出電壓受溫度等因素的影響較大,，需要通過(guò)外圍處理器進(jìn)行軟件補(bǔ)償,。

　　于是主程序除了負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、定位和數(shù)據(jù)的采集處理之外,，還要實(shí)現(xiàn)與傳感器的通信,，如圖5所示。

　　主程序主要進(jìn)行以下操作：

　?。?）系統(tǒng)初始化,，包括傳感器的初始化；

　?。?）獲取校正系數(shù),，處理器先從MS5541C的64 bit的PROM中讀取它自帶的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成校正系數(shù),；

　?。?）讀取水質(zhì)參數(shù)；

　?。?）溫度校正,，首先計(jì)算出校正溫度，然后依據(jù)測(cè)量溫度和校正溫度計(jì)算得出實(shí)際溫度,；

　?。?）對(duì)壓強(qiáng)值和pH值進(jìn)行溫度補(bǔ)償,；

　　（6）數(shù)據(jù)傳遞,，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置信息綁定后將數(shù)據(jù)包通過(guò)串口傳遞給無(wú)線通信模塊,。

　　3.2 簇頭節(jié)點(diǎn)主程序

　　簇頭節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)位置信息的獲取和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，主程序流程圖如圖6,。主要步驟如下：

　?。?）系統(tǒng)初始化，包括GPS模塊的初始化,；

　?。?）通過(guò)AT指令啟動(dòng)GPS功能并記錄GPS坐標(biāo)；

　?。?）將本簇頭節(jié)點(diǎn)獲取的位置坐標(biāo)廣播給終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及其他簇頭節(jié)點(diǎn),；

　　（4）簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)入路由模式,，與終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和其他簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

　　3.3 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)主程序

　　數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)主程序負(fù)責(zé)讀取CC2530傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并交由W5100上傳,。由于采用雙核模式,，主程序可以設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)單，流程如圖7所示,。主要步驟如下：

　?。?）系統(tǒng)初始化，包括網(wǎng)絡(luò)端口初始化以及設(shè)備編號(hào),、傳感器編號(hào)配置等,，初始化后進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)；

　?。?）如果產(chǎn)生串口中斷,，表明CC2530有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，則讀取數(shù)據(jù),；

　?。?）數(shù)據(jù)讀取完畢后，進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理,，隨后將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)視中心,，上傳結(jié)束后繼續(xù)偵聽(tīng)。

　　3.4 無(wú)線通信程序

　　CC2530的引入使得無(wú)線通信的軟件設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單,，直接使用TI公司提供的協(xié)議棧ZStack進(jìn)行開(kāi)發(fā)[9-11]。該協(xié)議棧是基于操作系統(tǒng)而存在的,，建立在事件循環(huán)機(jī)制的思想之上,。

　　數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)上電初始化后首先詢問(wèn)是否存在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，如有則直接入網(wǎng)綁定，開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),、審核入網(wǎng)申請(qǐng),，相當(dāng)于執(zhí)行簇頭節(jié)點(diǎn)程序；若不存在則將自己配置為協(xié)調(diào)器,，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),，為入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配地址，接收數(shù)據(jù)并上傳,。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)初始化后詢問(wèn)是否存在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),，沒(méi)有則等待，有則直接入網(wǎng)綁定,，運(yùn)行三邊算法進(jìn)行定位,，然后開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)并傳遞給父節(jié)點(diǎn)，等待應(yīng)答,，如果一直收不到應(yīng)答則重新尋找網(wǎng)絡(luò),。無(wú)線通信的工作流程如圖8所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)視中心

　　遠(yuǎn)程監(jiān)視中心采用Yeelink物聯(lián)網(wǎng)交互平臺(tái),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前端的信息采集和信息處理設(shè)備的管理,。在平臺(tái)上注冊(cè)，然后添加自己的設(shè)備,，對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理,。由于Yeelink平臺(tái)是開(kāi)放的，這就需要對(duì)每個(gè)用戶以及用戶的設(shè)備進(jìn)行管理,，確保傳感器數(shù)據(jù)與用戶傳感器一一對(duì)應(yīng),。Yeelink為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用分層管理的模式：用戶層,、設(shè)備層和傳感器層[12],。首先分配給注冊(cè)用戶獨(dú)有的APIKEY，每個(gè)用戶可自行管理自己賬戶的設(shè)備,，系統(tǒng)分配給每個(gè)設(shè)備獨(dú)有的設(shè)備編號(hào),，設(shè)備里可以添加各種傳感器，同樣地,，系統(tǒng)分配給傳感器獨(dú)有的傳感器編號(hào),。

　　Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能同時(shí)支持電腦終端和手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示，用戶可實(shí)時(shí)查看水質(zhì)參數(shù),，十分便捷,。客戶端顯示界面如圖9所示,。

5 系統(tǒng)測(cè)試

　　對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了防水處理之后,，選取了室內(nèi)和室外兩種測(cè)試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試,。其中室外選在了南京郵電大學(xué)仙林校區(qū)的人工湖（大致在北緯32°06′34.40″，東經(jīng)118°55′40.58″）,。

　　溫度測(cè)量范圍能達(dá)到-40℃~+85.0℃,，精度在1℃以內(nèi)；壓強(qiáng)測(cè)量范圍為0~14 bar,，精度達(dá)到1 mbar,；pH值測(cè)量范圍為1~14，精度達(dá)0.01,。在水下測(cè)量時(shí),，選擇12月初某天的8∶00~20∶00時(shí)間段，每半小時(shí)測(cè)量一次,，并記錄數(shù)據(jù),。在湖面下0.5 m左右處最低溫度為  7.0 ℃，最高溫度為9.12 ℃,，壓強(qiáng)在1 050 mbar左右,，pH值在7.20左右。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示如圖10所示,。并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行人工測(cè)量得到的值與系統(tǒng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,。

　　通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，pH值的測(cè)量誤差相對(duì)較大,，這是由于pH電極的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的處理,，而這種模擬電路帶來(lái)的誤差較大，但總體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量得到的數(shù)據(jù)基本接近,，說(shuō)明本系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性,。目前平均數(shù)據(jù)傳送時(shí)延在20~30 s之間，有較好的實(shí)時(shí)性,。無(wú)線通信部分采用最新的ZigBee2007協(xié)議棧,，采取了碰撞避免策略，MAC層也采用了完全確認(rèn)（ACK）的數(shù)據(jù)傳輸模式,，支持差錯(cuò)重傳,，提升了系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)論

　　本文針對(duì)水質(zhì)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)問(wèn)題,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于無(wú)線傳感網(wǎng)的水質(zhì)參數(shù)云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，該系統(tǒng)由終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn),、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)視中心組成,，可以完成信息的自動(dòng)采集、信息的無(wú)線傳輸以及基于云端的信息存儲(chǔ),，并可以在移動(dòng)終端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),。大量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)具有一定的實(shí)時(shí)性和可靠性,。本系統(tǒng)不僅可以滿足對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)需要,，而且由于模塊化設(shè)計(jì),，使得本系統(tǒng)具有一定的普適性，可用于其他環(huán)境監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域,，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng),。考慮到能源功率和成本問(wèn)題,，本系統(tǒng)還需要進(jìn)一步優(yōu)化,。

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