融合GPRS技術的ZigBee無線網絡水質監測系統的設計*

范利平，王志堅

(南通大學理學院，江蘇 南通 226007)

隨著現代工業的發展，水危機、水污染、水矛盾的問題日顯凸出，快速、自動和準確檢測水質顯得尤為重要.本文在對水質監測的新技術的研發方面進行了初步探索，采用以ZigBee技術為基礎構建了無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)，并用該網絡技術組建了水質參數采集的無線通信網絡，結合GPS定位技術采集網絡匯聚節點的地理位置信息，利用GPRS技術建立了無線傳感器網絡與外部網絡的通信，利用WEB服務器搭建了遠程監控平臺，可實時顯示水質狀況以及對數據進行分析統計等，實現對水質各參數的實時連續監測和遠程監控.該傳感器網絡系統通常包括傳感器節點(sensor node)、匯聚節點(sink node)和管理中心［1］.

1 設計方案

系統由ZigBee無線傳感器網絡(由ZigBee無線傳感器終端節點、匯聚節點和ZigBee協調器組成)、GPRS傳輸網絡和基于WEB的遠程監控平臺組成［2］.系統的網絡結構如圖1所示.可對多個水域進行監測，每個水域包括多個監測區域，在各監測區域放置傳感器節點，采用CC2430無線射頻芯片，每個水域放置一個網絡協調器.

傳感器節點采集的數據通過ZigBee無線通信協議傳輸至協調器，經協調器節點進行ZigBee協議數據解包，通過GPRS發送到監控中心;反之，由監控中心發來的控制信息，經GPRS模塊接收數據，再由協調器節點將數據封裝成Zig-Bee協議數據，經ZigBee無線射頻芯片發送到ZigBee網絡中.GPS模塊通過串口與CC2430連接，獲取匯聚節點的地理位置等信息.

2 硬件設計

2.1 ZigBee無線通信模塊

本系統的ZigBee無線通信模塊采用CC2430無線射頻模塊.CC2430整合了ZigBee射頻 (RF)前端、內存和微控制器.它功耗低，支持ZigBee協議.

圖1 系統的網絡結構

2.2 傳感器

2.2.1 溫度傳感器

本系統的溫度傳感器采用的是TC77串聯可訪問數字溫度傳感器.TC77含有一個12位帶正負號的ADC，一個內部轉換振蕩器以及一個串行輸入/輸出端口，和TC77之間的通信通過SPI和MICROWIRE可兼容接口完成，可以實現與普通微控制器以及處理器的簡單通信.

2.2.2 pH 值傳感器

本文選用的PH電極是E－201－C型復合電極.由于PH測量傳感器的內阻大，要求前置放大器有較高的輸入阻抗，系統選用運算放大器 CA3140，它具有輸入阻抗高、低偏置電流、低噪聲、高增益等特點，主要用來完成阻抗匹配、降低測量噪聲、提高系統穩定性等.其余普通運放選用LM358.信號處理電路如圖2所示.PH電極輸出信號從CA3140的同相端輸入經過放大和兩次低通濾波后進行A/D轉換，A/D轉換范圍為0—3.3V.調節Rp1和Rp2可改變輸出電壓值.

圖2 信號處理電路

圖3 擬合結果

電極輸出原始信號為－414.12mV的直流電壓信號，被測液體的PH值與產生的電勢成反比［3］.擬合結果如圖3所示.f(x)= －0.8875*x+7.623(x 為 PH 值，f(x)為 PH 電極經信號處理電路后輸出電壓).

2.2.3 GPS 模塊

GPS模塊只要處于工作狀態，不斷地把接收并計算出的GPS導航定位信息通過串口傳送至CC2430中.GPS模塊每秒輸出一次$GPRMC推薦定位數據.

在本次設計中，系統需要的GPS有效信息包括:經緯度信息和系統時間.根據GPRMC語句格式，提取有效信息時以‘，’分隔信息段的特點，制定清點語句中‘，’數目的算法來進行位的查詢［4］.

3 基于WEB的遠程監控平臺

基于WEB的遠程監控平臺是運行在WEB服務器上的一套網絡應用程序，用于數據管理與應用，采用Ajax技術實現網頁的動態無刷新，用戶只要通過客戶端瀏覽器即可訪問此WEB應用程序.

3.1 GPRS網絡通信

傳感器終端節點采集到數據后，經過預處理，按照應用協議約定好的格式將數據打包，然后傳給GPRS終端的TCP/IP協議棧，用AT命令控制發送數據，采用AT指令可以實現模塊參數的設置，實現數據的發送與接收.數據包協議如下所示(表1).

表1 數據包協議

遠程終端利用GPRS撥號上網建立連接后，會動態得到一個IP地址.由于采用動態地址分配技術，當GPRS掉線后，這個地址將會被收回.第二次GPRS撥號建立連接后，終端將重新獲得另一個IP地址，兩個地址是不同的.獲取了動態的IP，使得數據采集與遠傳系統在GPRS網絡中具有一個臨時地址，這樣就能夠通過套接字(Socket)網絡編程方式與遠端的監控系統建立連接并傳輸數據［5，6］.套接字通信示意圖如圖4所示.

圖4 套接字通信示意圖

3.2 WEB應用程序設計

該監控平臺采用Ajax技術實現網頁的無刷新，提升用戶體驗.數據庫服務軟件選用SQL Server2005，主要存儲和管理設備信息和實時數據信息，并對接入數據庫的用戶進行管理，滿足用戶對實時監控數據和歷史數據的查詢.數據庫內容主要包括主節點(協調器)ID號，從節點(傳感器節點)ID號，傳感器采集的溫度、PH值，時間位置信息等.

監控中心通過瀏覽器即可訪問此WEB應用程序，登錄后可以看到傳感器采集的當前數據，用戶在數據分析頁面的歷史數據，并將所選時間段的數據與標準數據以曲線圖的方式進行對照.網頁分別如圖5、圖6所示.

圖5 實時顯示頁面

圖6 數據分析頁面

4 結束語

本文在介紹無線傳感器網絡整體結構和應用的基礎上，將Zigbee和GPRS無線通信技術和GPS定位及技術引入到無線傳感器網絡的設計中，以GPRS為傳輸的信道把數據傳送到監控中心.在監控中心建立服務器數據庫，通過WEB進行遠程查詢監控現場的實時數據.本設計具有通用性、高可靠性、高穩定性等特點，同時可以提高水質監管部門的工作效率和數據采集的精確度，具有較強的實用性.

［1］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［2］孫雷霸.基于無線傳感器網絡上的水環境多參數監測系統的研究與實現［D］.鎮江:江蘇大學碩士學位論文，2009.

［3］劉星橋，曾毓楠，季峰.基于SOC單片機的pH值檢測與控制［J］.微計算機信息，2008，(5):99 －100.

［4］劉堅.無線環境監測網絡網關節點和數據終端的設計［D］.上海:上海交通大學碩士學位論文，2009.

［5］蔣建虎.基于GPRS和GPS的野外移動環境監測技術研究［D］.南京:南京航空航天大學碩士學位論文，2006.

［6］Sun Z，Cao H，Li H，et al.GPRS and WEB based data acquisition system for greenhouse environment［J］.Transactions of the CSAE，2006，(6):131 －134.