基于無線傳感網絡的遠程水環境中參數實時監測

李金勝+周圓+程杰

摘 要：針對目前水環境污染狀況的日益惡化的問題，采用無線傳感器網絡，通過節點傳感器采集水環境中離子濃度、鹽度、電導率、溫度等參數來實現實時監測。傳感器網絡節點一跳或多跳方式自組織網絡，匯聚節點將傳感器網絡節點采集的數據通過GSM/GPRS發送至上位機。上位機對數據進行分析處理，實現對水環境中各項參數的實時監測。實驗表明該系統具有成本低廉、移植性好、實時性強的效果。

關鍵詞：無線傳感器網絡;匯聚節點;水環境;實時監測

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻標志：A ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-03

0 ?引 ?言

隨著工業化的發展，水環境的狀況越來越惡劣。實時監測水環境中的各項參數對水環境本身有著重要的意義。

目前針對水環境的數據采集有兩種主要方式：一是建立觀測站，其破壞性大、監測實時性不強、成本高、移植性差。二是人工取水樣，采集至實驗室分析，其勞動強度大、采集時間長、數據不準確且受天氣、地域、時間等限制。本文提出采用無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network ，WSN）實現實時監測水環境中各項參數。WSN具有成本低廉、移植性好、實時性強的特點。系統包括節點、匯聚節點、上位機三部分的設計。它采用ZigBee協議自動組網和將CC2530作為主控芯片對水環境參數監測的節點及匯聚節點的軟硬件進行了設計，匯聚節點收集各個節點的采集數據，然后通過GSM/GPRS傳送至上位機平臺。上位機平臺的軟件對傳感器節點采集的參數信息和節點本身信息作相應的數據分析與處理，實現實時監測水環境中的參數、污染物排放情況、水質情況以及水環境中突發狀況。整個系統實現了無線傳感器網絡的遠程水環境參數實時監測。

1 ?水環境中參數實時監測系統概述

本文提出的水環境中參數實時監測節點主要應用于建立河流水庫等大范圍、具有自組網絡、動態拓撲、多跳傳輸和自修復功能的基于無線傳感網絡的ZigBee自動組網和GSM/GPRS實時傳輸的系統，如圖1所示。

WSN系統包括了節點、匯聚節點、網關及處理平臺。其中節點采用人工的方式均勻部署，WSN通過ZigBee協議自組織網絡，節點采集數據傳送給匯聚節點，匯聚節點再通過GSM/GPRS傳輸到遠端的水質監控中心，之后將由監測管理計算機負責對數據進行數據整理、數據分析比較與數據存儲工作。一旦數據出現異常，則提示操作人員注意對應區域的環境狀況，從而實現遠程實時監測[1]。

圖1 ?WSN系統示意圖

無線傳感網絡節點可根據水環境中參數實時監測要求，安裝在河流、水庫、工業廢水排污口等地點并以野外無人值守方式工作，通過傳感器采集監測水環境區域中的離子濃度、鹽度、電導率、濃度等的參數。為了建成一個針對不同測試環境可任意組合的多功能實時監測無線傳感網絡節點平臺，設計需求如下：

（1）多種指標監測：依據各行業廢水參數主要在線監測指標可知，對于不同區域的水質，所需要測量的指標也不同。要求同時監測多種水質指標，并根據不同區域選擇不同的傳感器組合。

（2）節點電源模式：由于監測網絡節點安裝在戶外，分布較散，只能采用電池電源供電。為延長網絡的生命周期，在軟件上優化或采用太陽能供電。

（3）多拓撲多節點無線通信：為實施對某片水域的水環境參數進行實時監測，需要在目標流域內部署無線傳感網絡節點，各節點將采集到的參數傳送到中央控制系統，從而完成目標流域的數據采集。因處于不同的監測環境，節點的空間分布差異較大，例如對水庫湖泊環境的監測，需要將大量監測節點在水域內均勻分布;對江河流域水質的監測，則需要將他沿著河岸分布，形成鏈狀結構;若是監測排污口，則節點主要分布于排污口附近區域。因此要求監測網絡節點可實現多種拓撲結構連接，并實現多節點接力通信的功能。

（4）設備成本：傳感器無線網絡需要大量節點，因此應考慮成本問題，盡可能精簡設計，降低節點的總成本。

2 ?無線傳感網絡節點設計

2.1 ?系統結構

匯聚節點核心模塊由主控MCU STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530組成，普通節點由CC2530外圍連接若干種針對不同監測項目的傳感器，通過這些傳感器實現對不同測試環境可任意組合的無線傳感網絡監測系統，不同水環境可選擇不同的傳感器組; ZigBee網絡管理和數據收發主要由CC2530模塊負責，利用Z-Stack協議棧的API接口，模塊實現了ZigBee無線網絡的動態組網、網絡自恢復、數據發送和數據接收等任務[2];傳感器模塊的接口按照標準的工業通信接口設計，保證了設計的標準化和平臺化，具有良好的可擴展性和可移植性。系統流程圖如圖2所示。參數檢測傳感器所采集的數據通過信號調理電路，若為數字信號則直接送至CC2530單片機;若為模擬信號則需先經信號調理電路放大、濾波，再發送給CC2530的內置AD轉換器。CC2530節點自動組網絡通過RS 232接口與匯聚節點中的主接芯片STC89C52連接。匯聚節點接GSM模塊，該模塊通過GPRS將數據以無線方式發送至上位機，上位機再將數據存儲并分析。

圖2 ?數據流向圖

2.2 ?傳感器節點硬件設計

2.2.1 ?節點設計

ZigBee無線通信模塊選用德州儀器（TI）ZigBee處理芯片CC2530，該芯片是專為ZigBee及IEEE 802.15.4應用設計的SoC芯片。CC2530適用于有低功耗工作需求的設備，具有多種低功耗操作模式，通過設置芯片內部的電源管理控制器可關閉芯片部分內部時鐘和射頻模塊的電源，使芯片進入不同程度的低功耗模式，并且可以在各種低功耗模式間進行快速切換，進一步降低電流損耗。CC2530的8051內核通過芯片中設置的RF指令集處理數據收發、中斷、DMA和FIFO等硬件抽象層的工作。CC2530在應用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對CC2530進行ZigBee數據傳輸的編程時，利用Basic RF層提供的通信API函數，可以極為便捷地實現用戶的程序工作量，無需進行硬件抽象層的各種繁雜設置和狀態處理[3]。

匯聚節點中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長時間工作的場合。匯聚節點負責各個節點的數據接收、發送以及收發命令。

本設計方案將STC89C52與CC2530結合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數據通過GSM/GPRS傳輸到上位機，監測數據的無線發送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監測水環境參數的關鍵。用戶可根據不同的水環境選擇監測不同的參數。主要監測數據有離子濃度、鹽度、電導率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導率傳感器為自制傳感器，下文將詳細介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據相關化學知識可知，兩個金屬棒在水體中會發生陽離子和陰離子的移動，產生電流形成恒流源。若在兩個金屬棒上串聯一個阻值合適的精密電阻，則可監測污染物排放后水體的導電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會改變水的導電性能，該排放物濃度越高，水的導電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產生的電流越大，導電性能就越好。再通過污染物擴散，傳感器節點測得各點位置的導電率后可實時預估污染源的位置及污染程度。自制電導率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結合無線傳感網絡節點對電源系統要求的低功耗、長時間工作、低成本的特點，節點電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對環境腐蝕性強、電解液需要定期維護，同時太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設計中，匯聚節點由STC89C52和CC2530組成。普通節點僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設計，在節點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成后進入節能模式，可大幅度降低系統的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且有效降低節點的體積和重量[4]。

2.3 ?節點軟件設計

基于無線傳感網絡的監測節點主要利用單片機STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負責信息的采集控制與無線網絡傳輸。CC2530負責采集節點上各個水環境中參數實時監測傳感器的數據并對每個數據進行測量值到理化值的數據轉換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發送到STC89C52單片機，最后經過GSM/GPRS模塊向遠程上位機進行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機發送初始化自組網命令和自恢復命令，實現初始組網與自動檢測恢復，負責網絡組網與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個傳感器節點具有簡單的分布式處理數據的能力。如對監測數據的比較，可知是否有參數超標，若有則預警，若無則連接網絡發送數據。同時也有優化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結 ?語

本文將無線傳感網絡與水環境參數監測相結合，利用ZigBee無線傳感網絡實現自組網與通信，而使得無線傳感器節點可以大范圍鋪設，不受區域限制，可實現其對水環境中各類參數的實時采集。同時也可以作為工業農業生產中參數的實時監測。

圖4 ? 節點軟件流程圖

參考文獻

[1]史兵， 趙德安， 劉星橋，等. 基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統[J].農業工程學報， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吳鍵， 袁慎芳. 無線傳感器網絡節點的設計和實現[J]. 儀器儀表學報， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韓蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee無線傳感網絡的導線接頭在線測溫系統[J]. 電力系統自動化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]趙剛， 侯立剛， 羅仁貴，等. 無線傳感網絡中低功耗處理器的設計和優化[J].半導體學報， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡愛娜. 基于能耗均衡的無線傳感網絡自適應數據存取算法[J]. 電子科技大學學報， 2014 （2）： 235-240.

[6]張榮標，馮友兵. 基于IEEE802.15.4的溫室無線監控系統的通信實現[J].農業機械學報，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

匯聚節點中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長時間工作的場合。匯聚節點負責各個節點的數據接收、發送以及收發命令。

本設計方案將STC89C52與CC2530結合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數據通過GSM/GPRS傳輸到上位機，監測數據的無線發送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監測水環境參數的關鍵。用戶可根據不同的水環境選擇監測不同的參數。主要監測數據有離子濃度、鹽度、電導率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導率傳感器為自制傳感器，下文將詳細介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據相關化學知識可知，兩個金屬棒在水體中會發生陽離子和陰離子的移動，產生電流形成恒流源。若在兩個金屬棒上串聯一個阻值合適的精密電阻，則可監測污染物排放后水體的導電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會改變水的導電性能，該排放物濃度越高，水的導電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產生的電流越大，導電性能就越好。再通過污染物擴散，傳感器節點測得各點位置的導電率后可實時預估污染源的位置及污染程度。自制電導率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結合無線傳感網絡節點對電源系統要求的低功耗、長時間工作、低成本的特點，節點電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對環境腐蝕性強、電解液需要定期維護，同時太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設計中，匯聚節點由STC89C52和CC2530組成。普通節點僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設計，在節點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成后進入節能模式，可大幅度降低系統的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且有效降低節點的體積和重量[4]。

2.3 ?節點軟件設計

基于無線傳感網絡的監測節點主要利用單片機STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負責信息的采集控制與無線網絡傳輸。CC2530負責采集節點上各個水環境中參數實時監測傳感器的數據并對每個數據進行測量值到理化值的數據轉換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發送到STC89C52單片機，最后經過GSM/GPRS模塊向遠程上位機進行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機發送初始化自組網命令和自恢復命令，實現初始組網與自動檢測恢復，負責網絡組網與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個傳感器節點具有簡單的分布式處理數據的能力。如對監測數據的比較，可知是否有參數超標，若有則預警，若無則連接網絡發送數據。同時也有優化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結 ?語

本文將無線傳感網絡與水環境參數監測相結合，利用ZigBee無線傳感網絡實現自組網與通信，而使得無線傳感器節點可以大范圍鋪設，不受區域限制，可實現其對水環境中各類參數的實時采集。同時也可以作為工業農業生產中參數的實時監測。

圖4 ? 節點軟件流程圖

參考文獻

[1]史兵， 趙德安， 劉星橋，等. 基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統[J].農業工程學報， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吳鍵， 袁慎芳. 無線傳感器網絡節點的設計和實現[J]. 儀器儀表學報， 2006，27（9）：1120-1124.

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[4]趙剛， 侯立剛， 羅仁貴，等. 無線傳感網絡中低功耗處理器的設計和優化[J].半導體學報， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡愛娜. 基于能耗均衡的無線傳感網絡自適應數據存取算法[J]. 電子科技大學學報， 2014 （2）： 235-240.

[6]張榮標，馮友兵. 基于IEEE802.15.4的溫室無線監控系統的通信實現[J].農業機械學報，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

匯聚節點中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長時間工作的場合。匯聚節點負責各個節點的數據接收、發送以及收發命令。

本設計方案將STC89C52與CC2530結合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數據通過GSM/GPRS傳輸到上位機，監測數據的無線發送與命令接收。

2.2.2 ?傳感器模塊

傳感器模塊是監測水環境參數的關鍵。用戶可根據不同的水環境選擇監測不同的參數。主要監測數據有離子濃度、鹽度、電導率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導率傳感器為自制傳感器，下文將詳細介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據相關化學知識可知，兩個金屬棒在水體中會發生陽離子和陰離子的移動，產生電流形成恒流源。若在兩個金屬棒上串聯一個阻值合適的精密電阻，則可監測污染物排放后水體的導電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會改變水的導電性能，該排放物濃度越高，水的導電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產生的電流越大，導電性能就越好。再通過污染物擴散，傳感器節點測得各點位置的導電率后可實時預估污染源的位置及污染程度。自制電導率傳感器如圖3所示。

圖3 ?電導率傳感器模塊

2.2.3 ?電源模塊

結合無線傳感網絡節點對電源系統要求的低功耗、長時間工作、低成本的特點，節點電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對環境腐蝕性強、電解液需要定期維護，同時太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設計中，匯聚節點由STC89C52和CC2530組成。普通節點僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設計，在節點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成后進入節能模式，可大幅度降低系統的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且有效降低節點的體積和重量[4]。

2.3 ?節點軟件設計

基于無線傳感網絡的監測節點主要利用單片機STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負責信息的采集控制與無線網絡傳輸。CC2530負責采集節點上各個水環境中參數實時監測傳感器的數據并對每個數據進行測量值到理化值的數據轉換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發送到STC89C52單片機，最后經過GSM/GPRS模塊向遠程上位機進行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機發送初始化自組網命令和自恢復命令，實現初始組網與自動檢測恢復，負責網絡組網與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個傳感器節點具有簡單的分布式處理數據的能力。如對監測數據的比較，可知是否有參數超標，若有則預警，若無則連接網絡發送數據。同時也有優化軟件，使其功耗最小化。

3 ?結 ?語

本文將無線傳感網絡與水環境參數監測相結合，利用ZigBee無線傳感網絡實現自組網與通信，而使得無線傳感器節點可以大范圍鋪設，不受區域限制，可實現其對水環境中各類參數的實時采集。同時也可以作為工業農業生產中參數的實時監測。

圖4 ? 節點軟件流程圖

參考文獻

[1]史兵， 趙德安， 劉星橋，等. 基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統[J].農業工程學報， 2011， 27（9） ： 136-140.

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[4]趙剛， 侯立剛， 羅仁貴，等. 無線傳感網絡中低功耗處理器的設計和優化[J].半導體學報， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡愛娜. 基于能耗均衡的無線傳感網絡自適應數據存取算法[J]. 電子科技大學學報， 2014 （2）： 235-240.

[6]張榮標，馮友兵. 基于IEEE802.15.4的溫室無線監控系統的通信實現[J].農業機械學報，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring