基于ZigBee的填埋場滲漏檢測傳感器的設(shè)計(jì)

張 冰，劉宏宇，王清華，張 辰，王振翀

（中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083）

利用坑洼地填埋城市垃圾是目前大多數(shù)城市的垃圾處理方式[1]。采用填埋處理要考慮的一個(gè)極其重要的問題是對(duì)周邊環(huán)境的影響，要防止廢物的溶液濾瀝以及雨水徑流對(duì)水源的污染，因此填埋場的防滲襯層系統(tǒng)是必不可少的設(shè)施。研究調(diào)查表明，在施工中由于機(jī)械的或人為的不規(guī)范操作會(huì)致使防滲層破損，在運(yùn)營時(shí)由于地基不均勻下陷、縮性形變、化學(xué)腐蝕等都會(huì)引起防滲層滲漏。如果漏洞不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)，垃圾滲濾液將會(huì)透過孔隙進(jìn)入地下水和土壤，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。因此垃圾填埋場的滲漏檢測是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是由ZigBee聯(lián)盟制定的低成本、小體積、低功耗無線通信技術(shù)。它功耗低、延時(shí)短、安全性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)容量高，且工作在免執(zhí)照頻段2.4 GHz，無需網(wǎng)絡(luò)租用費(fèi)用。應(yīng)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場的滲漏檢測系統(tǒng)組網(wǎng)簡單、成本低廉。

本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于垃圾填埋場的滲漏檢測傳感器，該傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測填埋場的防滲層狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏洞，并將漏洞的地理位置信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。該傳感器是個(gè)高精度的獨(dú)立模塊，具備防水功能，體積小巧，即插即用，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)，能夠解決垃圾填埋場的漏洞檢測問題，對(duì)于垃圾填埋場的建設(shè)和維護(hù)具有極其重要的意義。

1 系統(tǒng)綜述

該漏洞檢測系統(tǒng)由傳感器模塊和上位機(jī)兩部分組成。傳感器模塊位于各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測填埋場的環(huán)境信息，同時(shí)將環(huán)境信息和地理位置信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)接收并處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，并人為地采取相應(yīng)的措施。同時(shí)，上位機(jī)可以根據(jù)要求控制傳感器的工作狀況。本文著重講述傳感器模塊的設(shè)計(jì)。該漏洞檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器功能

該傳感器的具體功能是：及時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)和地理位置信息經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)；同時(shí)可接收來自上位機(jī)的命令，如設(shè)定時(shí)鐘、采樣時(shí)間間隔、監(jiān)測傳感器電池電量等；監(jiān)測并控制傳感器的工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器和Zig-Bee模塊四部分組成[2]，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采集到的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后，得到目標(biāo)信號(hào)，目標(biāo)信號(hào)經(jīng)微控制器處理后，通過串口傳送至ZigBee模塊，再由ZigBee模塊IP-LINK經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。

如圖2所示，電源模塊包括供電、充電和電量監(jiān)測三個(gè)部分。電源由鋰電池進(jìn)行供電。供電部分為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓，該部分包含過流保護(hù)，當(dāng)電池輸出電流超過安全范圍時(shí) ，電路將自動(dòng)切斷；充電部分可為鋰電池進(jìn)行充電，在充電的同時(shí)也為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓；電量監(jiān)測部分可及時(shí)監(jiān)測鋰電池電量，以保證傳感器工作的正常進(jìn)行。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，該模塊由差分放大器和濾波器組成。由于目標(biāo)信號(hào)中混雜著大量的干擾信號(hào)（干擾信號(hào)主要為大地噪音），因此在目標(biāo)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，要對(duì)其進(jìn)行濾波。差分放大器首先對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行初步的提純，濾掉其中的共模信號(hào)，在過濾后的信號(hào)中，主要存在的噪聲即50 Hz的大地噪音，因此只需濾除大地噪聲即可。在本設(shè)計(jì)中，選用的濾波器是五階的低通巴特沃斯濾波器，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，將濾波器的截止頻率設(shè)為3 Hz，便可保留目標(biāo)信號(hào)，并且完全濾除大地噪聲。

微處理器對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并處理所得數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)所選的微處理器是宏晶公司生產(chǎn)的STC5608AD，該單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，它的電壓轉(zhuǎn)換范圍是0～Vcc，然而隨著鋰電池電量的消耗，其輸出電壓Vcc會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此A/D轉(zhuǎn)換的精度受到了一定的影響。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)引進(jìn)了精密基準(zhǔn)源。通過讀取精密基準(zhǔn)源的信息，計(jì)算出當(dāng)前Vcc的精確值，即可得到精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

ZigBee模塊選用赫立訊公司生產(chǎn)的IP-LINK1223-5142，它負(fù)責(zé)傳感器與上位機(jī)之間的無線通信。一方面，傳感器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)申請(qǐng)時(shí)鐘、發(fā)送數(shù)據(jù)等；另一方面，上位機(jī)可通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向傳感器發(fā)送命令，如設(shè)定采樣間隔時(shí)間、監(jiān)測電池電壓、檢查單片機(jī)和電源的工作狀態(tài)等。

2.3 傳感器主要元件的芯片選擇

由于垃圾填埋場的特殊環(huán)境，對(duì)于傳感器也有特殊的要求：傳感器要有高的精確度，電源要有強(qiáng)大的續(xù)航能力，而且傳感器要適應(yīng)垃圾填埋場的惡劣環(huán)境。因此，選擇合適的芯片是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

傳感器采用鋰電池供電，鋰電池容量大、放電穩(wěn)定，且沒有記憶效應(yīng)。采用LTC1844為傳感器系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。LTC1844是一款150 mA、微功率、低噪聲、VLDO線性穩(wěn)壓器。它具有一個(gè)1.6 V～6.5 V的寬輸入電壓范圍。電源電流僅為35 μA，即使在壓降條件下也不例外。在整個(gè)溫度、電壓和電流范圍內(nèi)具有1.75%的電壓準(zhǔn)確度。

充電電路采用美國TI公司生產(chǎn)的先進(jìn)鋰電充電管理芯片BQ2057C，利用BQ2057C芯片及簡單外圍電路可設(shè)計(jì)低成本的鋰電池充電器，非常適用于便攜式電子儀器的緊湊設(shè)計(jì)。BQ2057C可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間，帶有可選的電池溫度監(jiān)測，利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，BQ2057關(guān)閉對(duì)電池充電。內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態(tài)識(shí)別可由輸出的LED指示燈實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。

差分放大器采用ADI公司的AD8275。AD8275是一款增益為0.2的差分信號(hào)放大器,可把±10 V信號(hào)轉(zhuǎn)換成+4 V，它具有快速穩(wěn)定時(shí)間和低失真性，內(nèi)置精密激光調(diào)整匹配電阻，可確保低增益誤差、1 ppm/℃（最大值）的低增益漂移和80 dB的高共模抑制比。低增益漂移和低失調(diào)漂移連同它的快速穩(wěn)定時(shí)間，滿足傳感器需要的精確而迅速捕獲數(shù)據(jù)的采集要求。

濾波器選用MAXIM公司的五階、低通、巴特沃斯濾波器MAX7414。它是一款開關(guān)電容式濾波器，由MOS電容、開關(guān)電容和運(yùn)算放大器組成，不僅功耗低（工作模式只需 1.2 mA，休眠模式 0.2 μA）、體積小，在芯片典型電路中確定了接地電容和積分電容，只需一個(gè)電容就可以控制時(shí)鐘周期，從而設(shè)置濾波截止頻率。

單片機(jī)選擇宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5608AD。STC12C5608AD是單時(shí)鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度提高了8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路 PWM，8路高速 10 bit A/D轉(zhuǎn)換器，有很強(qiáng)的抗干擾性。由于垃圾填埋場的工作環(huán)境惡劣，而且由于該傳感器的高精度要求，選擇接外部晶振，外部晶振頻率為18.432 MHz。

IP-LINK模塊是赫立訊公司推出的基于ZigBee技術(shù)的嵌入式無線模塊。本設(shè)備選用IP-LINK1223-5142，它包含一個(gè)高性能的8 bit 8051微處理器和一個(gè)符合2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)數(shù)據(jù)和上位機(jī)命令的相互傳送。

3 軟件設(shè)計(jì)

以硬件電路為基礎(chǔ)，Keil C為開發(fā)工具，軟件[3]主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1)請(qǐng)求時(shí)鐘。為了實(shí)現(xiàn)傳感器低成本、低功耗的目標(biāo)，該傳感器無自帶時(shí)鐘，而采集的數(shù)據(jù)信息需包含采樣信息和采樣信息時(shí)間，因此，在采樣之前，傳感器先向上位機(jī)請(qǐng)求時(shí)鐘。

(2)傳感器丟失報(bào)警。傳感器會(huì)定時(shí)（60 s）向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，如果上位機(jī)連續(xù)10次沒有接收到此信號(hào)，就認(rèn)為此傳感器丟失，便發(fā)出警報(bào)，通知工作人員來處理相關(guān)問題。

(3)傳感器低壓報(bào)警。當(dāng)傳感器供電電壓低于一定水平時(shí)，便向上位機(jī)發(fā)出信號(hào)，上位機(jī)即時(shí)將該信息顯示在工作窗口上，并由工作人員處理。

(4)新到傳感器自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用了ZigBee無線Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有自組織和自愈功能，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)增加、刪除節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自我修復(fù)。因此隨著填埋場的擴(kuò)大，可以不斷地在新開辟區(qū)域安裝新的傳感器，新到傳感器自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，無需人工干預(yù)，這給填埋場的擴(kuò)大和維護(hù)帶來了極大的方便。

(5)定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。工作人員可根據(jù)需要通過上位機(jī)設(shè)定傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括相關(guān)變量的初始化、單片機(jī)相關(guān)寄存器和I/O口初始化以及IP-LINK初始化等。初始化完成后，向上位機(jī)請(qǐng)求時(shí)鐘，若請(qǐng)求時(shí)鐘成功，則程序繼續(xù)往下執(zhí)行，若請(qǐng)求10次還得不到時(shí)鐘信息，則跳過該步驟，繼續(xù)往下執(zhí)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。為了使采樣結(jié)果更準(zhǔn)確，采用多次采樣取平均值的方法，然后將所得數(shù)據(jù)打包，再通過ZigBee發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行相關(guān)處理，最終將結(jié)果顯示到工作窗口上。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于垃圾填埋場的基于ZigBee的滲漏檢測傳感器，并對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該傳感器可適應(yīng)垃圾填埋場的惡劣環(huán)境，精確度高、體積小巧、即插即用，傳感器本身自帶的充電功能使傳感器應(yīng)用起來更加方便，而且它可以自適應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隨著填埋場的擴(kuò)大，可以不斷地在新開辟區(qū)域安裝模塊。為系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)帶來了極大的方便。本設(shè)計(jì)性能可靠，對(duì)于目前普遍存在的垃圾填埋場的漏洞檢測問題具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

[1]王斌，王琪，董路.垃圾填埋場防滲層滲漏檢測方法的比較[J].環(huán)境科學(xué)研究，2002，15(5)：47-48，54.

[2]梅麗鳳，王艷秋，張軍.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]BRIAN W K，DENNIS M R.C程序設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.