水環境監測系統設計思考范文

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摘要：

本文主要采用Zigbee技術對水環境水質參數進行綜合監測，具有多點、自動、實時、連續、準確、低功耗、高穩定性等特性的無線傳感器水質數據監測系統，可以實現對水體溫度、PH值濁度值等參數的遠程監測。

關鍵詞：

水質監測；ZigBee；CC2530；LabVIEW

近幾年環境不斷惡化，人類賴以生存的水資源也正不斷地被污染，為了更好地保護水資源，我們需要加強對水資源的監測。通過對水環境信息的采集、處理、傳輸、存儲、維護和分析，可為水環境管理與決策提供技術支持和服務[1]。在眾多的水質檢測方法中，主要是化學法和電子傳感器法，由于前者耗費的成本較高、不具備實時檢測性等缺點，故選擇電子傳感器法。為了更加方便地監測，我們需要借助無線傳輸技術對數據進行傳輸，因此，基于Zigbee的水環境監測技術成為首選。

1Zigbee技術概述

Zigbee是無線傳感器網絡技術的一種，由于其具備低功耗、短距離、低成本等優點[2]，受到了人們的青睞，這幾年發展特別迅速，應用比較廣泛。Zigbee是一種基于IEEE.802.15.4協議的技術，在原有物理層、介質訪問層的基礎之上，增加了網絡層和應用層[3]，如圖一所示。系統中的設備對象有三個，即協調器、路由器和終端。協調器主要負責整個系統網絡的建立（唯一能系統設計夠建立網絡的設備），協調器負責數據的路由，把終端接收的數據轉發給協調器，終端負責數據的采集，將數據通過無線射頻的形式發送給協調器或者路由器。

2基于ZigBee的水環境監測系統架構

整個系統框架（見圖二）由ZigBee協調器、終端節點以及上位機組成。ZigBee協調器是ZigBee網絡的核心，它負責建立網絡和管理網絡節點。系統采用CC2530作為節點主控制器。CC2530采用片上系統SOC能夠有效地降低系統功耗節省一定的成本，另外，其還有顯著的特點就是將MCU和RF射頻部分有機的結合起來[4]，這種解決方案比MCU+射頻芯片的方案更易于接受，有效地解決了低功耗和穩定性的問題。為了便于軟硬件的調試和部分電路的拓展，本文設計了協調器和傳感器的模塊化的電路。協調器電路主要由主電源（由外部接入5v電源或者電池作為電源，經過3.3v的穩壓芯片之后供給單片機）、系統時鐘（包含32M和32.768K的晶振電路）、復位電路、按鍵電路（主要功能是系統組網時需要人為干預的外部應答機制）、LED電路（能夠宏觀的觀察到系統組網的部分過程，由綠色、紅色、黃色和藍色4個LED燈組成）、LCD電路（為了便于調試，需要液晶顯示部分數據）、接口調試電路（主要用于將軟件程序燒進單片機和軟硬件的調試）、串口通信電路（需要將傳感器接收來的數據通過串口通信電路傳送至上位機，便于上位機進行數據的處理）和RF射頻電路（通過這部分電路使協調器和終端之間能夠進行無線數據的通信）組成。另外，終端（傳感器）部分主要是在協調器的基礎之上加上了傳感器電路，主要包括溫度、PH和濁度傳感器、信號調理電路（主要包括信號放大電路、濾波電路等）。對于PH傳感器部分，由于其特殊的高輸出阻抗，需要匹配高輸入阻抗的放大器，需要有負電源的加載，最后通過接線口將模擬信號（溫度傳感器除外）接入單片機的I/O口，通過單片機內部的A/D轉換電路將模擬信號轉化成數字信號，給MCU進行數據的處理。節點設計如圖三所示。

3Zigbee開發平臺

CC2530片上系統的開發用到的是專業嵌入式應用開發工具IAR。它支持多達32位系統的MCU。Z-stack協議棧將基本的一些功能都封裝成了函數的形式，同時為了更好地管理這些函數，在協議棧內部加入一個簡單的操作系統，稱為OSAL操作系統。在用戶開發應用的過程中，其主要是對應用層進行開發（其他層會有相應的改變），在程序框架中，包括了240個應用對象，我們可以把這些對象看成是一個個任務，因此需要OSAL這樣的一個機制來實現任務的切換、調度、同步等。在協議棧中，主函數主要就是完成兩件事：系統的初始化和執行操作系統。系統初始化的內容主要有：系統時鐘初始化、初始化堆棧、初始化外部硬件模塊、初始化FLASH閃存、初始化MAC層、初始化操作系統和執行操作系統。協調器部分最重要的函數之一就是將接收的數據處理之后，通過串口功能發送給Labview進行數據的處理與整合。

4上位機系統設計

本系統中采用Labview作為上位機對數據進行處理。Labview是一種程序開發語言，但其不同于我們傳統印象中的C語言軟件平臺，它并不會用C語言進行編程，而是采用G語言編寫（圖形化的編程語言），最后得出來的程序是以框圖結構的樣式展現出來的。本系統利用了Labview的函數庫串口控制，把協調器發送給上位機數據連接起來。首先將一些串口通信的基本參數進行設置：串口號、波特率、數據位、校驗位、停止位和控制流，緊接著設置采樣時間，當采集完數據之后，搜索是否有ZB兩個字節，緊接著判斷屬于哪個節點，本系統中共有三個節點，之后將傳感器的三個數據檢索出來，分別顯示（圖表顯示和實時曲線）。我們將傳感器同一類的數據放在一副曲線表中顯示，用不同顏色的曲線加以分別，如圖四所示。

5結束語

本系統能夠較好地對水質參數進行比較精準的測量，且上位機也能夠對數據進行很好地處理。本系統主要的優點是將無線ZigBee技術引入水質監測系統中，實現即時部署、即時組網；可實現多參數、多點、實時、自動地進行水質的監測，提高監測效率；可有效提高系統通信效率，大大降低監測人員的勞動強度，提高管理水平。

參考文獻

[1]王志敏，王穎，占志鵬，等.基于無線傳感器網絡的水環境監測信息融合研究[J].科技廣場，2012，（03）：79-81.

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

[3]薛秦剛.IEEE802.15.4的ZigBee協議棧研究與仿真[D].西安：西安理工大學，2010.

[4]徐健，楊珊珊.基于CC2530的ZigBee協調器節點設計[J].物聯網技術，2012，2（05）：55-57.

作者：王穎 程建軍 任錦峰 溫華林 單位：南昌工程學院