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(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。水資源開發(fā)利用及保護(hù)是很多國家共同關(guān)注的問題。我國已將水資源保護(hù)作為一件關(guān)系國計民生的大事列入了基本國策。保護(hù)水資源的重要手段是對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。但是傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測方法具有成本高、工作強(qiáng)度大、效率低、時效差的缺點(diǎn)。在此，針對不宜采集、極難采集或者大型水域的水質(zhì)監(jiān)測，需要滿足部署便捷、配置靈活、實(shí)時性強(qiáng)、監(jiān)測范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)和系統(tǒng)成本低的要求，本文融合WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)、4G無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)等設(shè)計了一款水質(zhì)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

為了實(shí)現(xiàn)對待測水域全天候?qū)崟r自動在線監(jiān)測，設(shè)計的系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3個部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，動態(tài)分布在待測水域，構(gòu)成水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)Υ郎y水體的水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度等參數(shù)進(jìn)行采集和處理，并傳送給無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)將來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過4G無線移動網(wǎng)絡(luò)傳輸至OneNET云服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心從云服務(wù)器接收、解析這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行動態(tài)顯示及預(yù)警提示，為水環(huán)境污染的防治提供決策和支持。

圖1 水質(zhì)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

水質(zhì)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和電源模塊。本文重點(diǎn)闡述傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計過程。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳至無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)的中心是嵌入式處理器，一方面接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并解析，另一方面管理4G模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)絆neNET云。電源模塊為系統(tǒng)各部分供電。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器選擇的是TI公司推出的CC2530。該芯片體積小、價格低，內(nèi)部集成8051處理器、無線射頻模塊、RAM和ROM存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器、SPI通信總線等多功能模塊，便于實(shí)際應(yīng)用中的硬件電路設(shè)計[1]。而且CC2530 收發(fā)信息功耗低[2]、休眠模式/主動模式轉(zhuǎn)換時間極短且能耗極小，非常適合野外環(huán)境下長時間使用的要求。傳感器節(jié)點(diǎn)所攜帶的溫度傳感器屬于數(shù)字傳感器，另外3種傳感器所采集的水質(zhì)參數(shù)首先經(jīng)CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過內(nèi)置的無線射頻模塊發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)

2.1.1 水質(zhì)的溫度檢測

溫度傳感器選用的是美國Dallas公司的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它具有單總線、小體積、低功耗、高性能和使用方便等優(yōu)點(diǎn)[3]，溫測范圍為-55～+125 ℃，工作電壓3～5 V。DS18B20工作時僅需1條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器CC2530的雙向通信。水溫檢測電路如圖3所示。DS18B20將采集到的水溫經(jīng)數(shù)據(jù)線送給CC2530的P1.1腳。

圖3 水溫檢測電路

2.1.2 水質(zhì)的pH值檢測

水質(zhì)的pH值代表了水中H+的濃度，即水質(zhì)的酸度，對pH值的測量和分析是判斷水污染程度的重要依據(jù)[4]。本系統(tǒng)選用E-201-C型pH復(fù)合電極測量水質(zhì)的pH值。該電極由玻璃電極和參比電極組成。參比電極對H+不敏感，它的作用是提供恒定的電位作參考，玻璃電極對H+敏感[5]，會根據(jù)水中H+濃度產(chǎn)生一相對于參比電極的電位，只要測得該電位值，即可算出水質(zhì)的pH值。pH值檢測電路如圖4所示。系統(tǒng)中參比電壓選擇0.7 V，此時經(jīng)pH傳感器輸出的電壓需經(jīng)過TLC4502運(yùn)算放大,才能送給CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 pH值檢測電路

2.1.3 水質(zhì)的電導(dǎo)率檢測

對電導(dǎo)率的常規(guī)測量方法是根據(jù)電解導(dǎo)電原理,采用電阻測量法間接測量電導(dǎo)率。即在環(huán)形電導(dǎo)測量電極兩端施加1個連續(xù)等幅恒頻的交變電壓，電極兩端加直流電時極化嚴(yán)重，溶液電阻有增大趨勢，導(dǎo)致誤差增大[6]。在電極中產(chǎn)生1個正比于被測水質(zhì)電導(dǎo)率的電流I(t)，該電流流經(jīng)采樣電阻后產(chǎn)生正比于被測電導(dǎo)率的交變電壓V，該電壓經(jīng)放大、交直流變換、平滑濾波后送給A/D轉(zhuǎn)換器處理。系統(tǒng)中的電導(dǎo)率傳感器選用的是DJS-1型鉑黑電導(dǎo)電極傳感器。鉑黑電極殼能有效防止在測定較高電導(dǎo)溶液時出現(xiàn)地極化現(xiàn)象，可對常規(guī)水體電導(dǎo)率進(jìn)行精確測量，電路如圖5所示。

圖5 電導(dǎo)率檢測電路

2.1.4 水質(zhì)的濁度檢測

系統(tǒng)選用GE公司的TS型濁度傳感器測量水體的懸浮顆粒物濃度，適用溫度范圍廣，額定電壓為5 V，額定電流最大僅30 mA。該傳感器的工作原理是當(dāng)光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流大小，透過的光越多，電流就越大，反之透過的光越少，電流就越小。通過測量接收端電流的大小，就可以計算出水的污濁程度。傳感器有3個端口，2腳為模擬輸出端，線性對應(yīng)濁度值，經(jīng)LM224運(yùn)算符放大后送給A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。濁度檢測電路如圖6所示。

圖6 濁度檢測電路

2.2 無線網(wǎng)關(guān)

無線網(wǎng)關(guān)由協(xié)調(diào)器、嵌入式處理器和4G模塊組成，如圖7所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在嵌入式處理器管理下，一方面由協(xié)調(diào)器接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳來的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一方面管理4G模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。

圖7 無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到嵌入式處理器。系統(tǒng)仍然選用TI公司的CC2530作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的微處理器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USB接口與嵌入式處理器相連。

系統(tǒng)選用了樹莓派3開發(fā)平臺作為嵌入式處理器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，將水質(zhì)參數(shù)采集的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與4G LTE無線網(wǎng)絡(luò)連接；通過4G模塊使系統(tǒng)以無線的方式連接到OneNET云，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。樹莓派3采用64位4核ARM Cortex-A53作為CPU中央處理器， 1.2 GHz的運(yùn)行頻率可以使處理器在運(yùn)行多任務(wù)操作系統(tǒng)時更加穩(wěn)定，1 GB的RAM存儲器保證了系統(tǒng)的運(yùn)行速度及穩(wěn)定性。樹莓派3開發(fā)平臺直接板載802.11n無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙4.1，具有4個USB2.0接口、40個GPIO口、1個以太網(wǎng)口，以及MicroSD卡插槽和1個音視頻接口，豐富的外設(shè)接口資源極大地滿足了本系統(tǒng)在外設(shè)接口方面的需求。

4G無線通信模塊選用的是SIMCom公司的SIM7100C 4G LTE產(chǎn)品。SIM7100C是一款基于高通MDM9215多模LTE平臺的超小型可靠無線模塊，具有完整的多頻段，采用功能強(qiáng)大的CortexTM A5(550 MHz)處理器，以及3個QDSP6內(nèi)核，主頻最高可到500 MHz。4G通信模塊通過USB接口與嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用無線射頻插座連接外置天線。4G模塊正常通信需要適配SIM卡，故4G通信電路設(shè)計包括SIM7100C電路和SIM卡座電路2部分。

2.3 電源模塊

電源模塊設(shè)計很重要，考慮到系統(tǒng)野外長期工作的需要，電路設(shè)計參考了夏治安等[7]采用太陽能電池板+鋰電池供電的模式，此處不再贅述。

經(jīng)過電路原理圖設(shè)計、PCB制作、元器件裝配，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計，實(shí)物如圖8所示。由于電路采用了大量集成度高的元件、模塊化的設(shè)計，從而保證了節(jié)點(diǎn)體積小的特性。為了盡可能延長傳感器節(jié)點(diǎn)的工作壽命，設(shè)計時將其置于防水盒中。

圖8 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件實(shí)物示意

3 系統(tǒng)測試

結(jié)合監(jiān)控中心上的軟件設(shè)計，搭建了包括2個傳感器節(jié)點(diǎn)、1個無線網(wǎng)關(guān)、1臺PC機(jī)在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對不同標(biāo)準(zhǔn)的被測液體、蒸餾水等分別進(jìn)行pH值、電導(dǎo)率測試，測試結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)pH測試結(jié)果

表2 傳感器節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)率測試結(jié)果 μS/cm

通過對不同溫度的液體進(jìn)行溫度值的測試，并以高精度溫度傳感器的測量結(jié)果作為對比，測試結(jié)果如表3所示。

表3 傳感器節(jié)點(diǎn)溫度測試結(jié)果 ℃

通過2個傳感器節(jié)點(diǎn)對不同標(biāo)準(zhǔn)被測液體的濁度進(jìn)行測試，考慮到監(jiān)控中心軟件中濁度的直觀表示(以百分比表示濁度)，設(shè)計中把0.3NTU標(biāo)準(zhǔn)2個傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出值記做100%作為參照，測量并計算出其他標(biāo)準(zhǔn)的液體濁度如表4所示。

表4 傳感器節(jié)點(diǎn)濁度測試結(jié)果

從表1～表3的測量結(jié)果可以看出，2個傳感器節(jié)點(diǎn)對不同標(biāo)準(zhǔn)被測液體的pH值、電導(dǎo)率、溫度等參數(shù)的測量,與標(biāo)準(zhǔn)值比較偏差較小，測量結(jié)果可以作為實(shí)時監(jiān)測的依據(jù)。

表4的測試結(jié)果表明，當(dāng)被測標(biāo)準(zhǔn)液的濁度值越大，說明該液體中的懸浮或不溶解物質(zhì)越多，導(dǎo)致其透光率越差，通過2個傳感器節(jié)點(diǎn)測試的結(jié)果百分比越小。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于WSN技術(shù)的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件開發(fā)設(shè)計過程，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上的軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)實(shí)時、自動監(jiān)測功能。系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，不僅組網(wǎng)方便、部署靈活，而且擴(kuò)展性很強(qiáng)，再結(jié)合OneNET云技術(shù)，更好地解決了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、無線傳輸問題，為水質(zhì)預(yù)警工作帶來更加快速、實(shí)時的數(shù)據(jù)信息，使得水質(zhì)監(jiān)測更加方便、及時、準(zhǔn)確，是進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測的一個新的選擇。