水环境监测系统设计思考范文

摘要：

本文主要采用Zigbee技术对水环境水质参数进行综合监测，具有多点、自动、实时、连续、准确、低功耗、高稳定性等特性的无线传感器水质数据监测系统，可以实现对水体温度、PH值浊度值等参数的远程监测。

关键词：

水质监测；ZigBee；CC2530；LabVIEW

近几年环境不断恶化，人类赖以生存的水资源也正不断地被污染，为了更好地保护水资源，我们需要加强对水资源的监测。通过对水环境信息的采集、处理、传输、存储、维护和分析，可为水环境管理与决策提供技术支持和服务[1]。在众多的水质检测方法中，主要是化学法和电子传感器法，由于前者耗费的成本较高、不具备实时检测性等缺点，故选择电子传感器法。为了更加方便地监测，我们需要借助无线传输技术对数据进行传输，因此，基于Zigbee的水环境监测技术成为首选。

1Zigbee技术概述

Zigbee是无线传感器网络技术的一种，由于其具备低功耗、短距离、低成本等优点[2]，受到了人们的青睐，这几年发展特别迅速，应用比较广泛。Zigbee是一种基于IEEE.802.15.4协议的技术，在原有物理层、介质访问层的基础之上，增加了网络层和应用层[3]，如图一所示。系统中的设备对象有三个，即协调器、路由器和终端。协调器主要负责整个系统网络的建立（唯一能系统设计够建立网络的设备），协调器负责数据的路由，把终端接收的数据转发给协调器，终端负责数据的采集，将数据通过无线射频的形式发送给协调器或者路由器。

2基于ZigBee的水环境监测系统架构

整个系统框架（见图二）由ZigBee协调器、终端节点以及上位机组成。ZigBee协调器是ZigBee网络的核心，它负责建立网络和管理网络节点。系统采用CC2530作为节点主控制器。CC2530采用片上系统SOC能够有效地降低系统功耗节省一定的成本，另外，其还有显著的特点就是将MCU和RF射频部分有机的结合起来[4]，这种解决方案比MCU+射频芯片的方案更易于接受，有效地解决了低功耗和稳定性的问题。为了便于软硬件的调试和部分电路的拓展，本文设计了协调器和传感器的模块化的电路。协调器电路主要由主电源（由外部接入5v电源或者电池作为电源，经过3.3v的稳压芯片之后供给单片机）、系统时钟（包含32M和32.768K的晶振电路）、复位电路、按键电路（主要功能是系统组网时需要人为干预的外部应答机制）、LED电路（能够宏观的观察到系统组网的部分过程，由绿色、红色、黄色和蓝色4个LED灯组成）、LCD电路（为了便于调试，需要液晶显示部分数据）、接口调试电路（主要用于将软件程序烧进单片机和软硬件的调试）、串口通信电路（需要将传感器接收来的数据通过串口通信电路传送至上位机，便于上位机进行数据的处理）和RF射频电路（通过这部分电路使协调器和终端之间能够进行无线数据的通信）组成。另外，终端（传感器）部分主要是在协调器的基础之上加上了传感器电路，主要包括温度、PH和浊度传感器、信号调理电路（主要包括信号放大电路、滤波电路等）。对于PH传感器部分，由于其特殊的高输出阻抗，需要匹配高输入阻抗的放大器，需要有负电源的加载，最后通过接线口将模拟信号（温度传感器除外）接入单片机的I/O口，通过单片机内部的A/D转换电路将模拟信号转化成数字信号，给MCU进行数据的处理。节点设计如图三所示。

3Zigbee开发平台

CC2530片上系统的开发用到的是专业嵌入式应用开发工具IAR。它支持多达32位系统的MCU。Z-stack协议栈将基本的一些功能都封装成了函数的形式，同时为了更好地管理这些函数，在协议栈内部加入一个简单的操作系统，称为OSAL操作系统。在用户开发应用的过程中，其主要是对应用层进行开发（其他层会有相应的改变），在程序框架中，包括了240个应用对象，我们可以把这些对象看成是一个个任务，因此需要OSAL这样的一个机制来实现任务的切换、调度、同步等。在协议栈中，主函数主要就是完成两件事：系统的初始化和执行操作系统。系统初始化的内容主要有：系统时钟初始化、初始化堆栈、初始化外部硬件模块、初始化FLASH闪存、初始化MAC层、初始化操作系统和执行操作系统。协调器部分最重要的函数之一就是将接收的数据处理之后，通过串口功能发送给Labview进行数据的处理与整合。

4上位机系统设计

本系统中采用Labview作为上位机对数据进行处理。Labview是一种程序开发语言，但其不同于我们传统印象中的C语言软件平台，它并不会用C语言进行编程，而是采用G语言编写（图形化的编程语言），最后得出来的程序是以框图结构的样式展现出来的。本系统利用了Labview的函数库串口控制，把协调器发送给上位机数据连接起来。首先将一些串口通信的基本参数进行设置：串口号、波特率、数据位、校验位、停止位和控制流，紧接着设置采样时间，当采集完数据之后，搜索是否有ZB两个字节，紧接着判断属于哪个节点，本系统中共有三个节点，之后将传感器的三个数据检索出来，分别显示（图表显示和实时曲线）。我们将传感器同一类的数据放在一副曲线表中显示，用不同颜色的曲线加以分别，如图四所示。

5结束语

本系统能够较好地对水质参数进行比较精准的测量，且上位机也能够对数据进行很好地处理。本系统主要的优点是将无线ZigBee技术引入水质监测系统中，实现即时部署、即时组网；可实现多参数、多点、实时、自动地进行水质的监测，提高监测效率；可有效提高系统通信效率，大大降低监测人员的劳动强度，提高管理水平。

参考文献

[1]王志敏，王颖，占志鹏，等.基于无线传感器网络的水环境监测信息融合研究[J].科技广场，2012，（03）：79-81.

[2]PatrickKinney.ZigBeeTechnology：WirelessControlthatSimplyWorks[C].CommunicationsDe-signConference，2003.

[3]薛秦刚.IEEE802.15.4的ZigBee协议栈研究与仿真[D].西安：西安理工大学，2010.

[4]徐健，杨珊珊.基于CC2530的ZigBee协调器节点设计[J].物联网技术，2012，2（05）：55-57.

作者：王颖 程建军 任锦峰 温华林 单位：南昌工程学院