水質參數監測無線傳感網匯聚節點設計

鮑玉軍， 張 兵， 丁國梁

(常州工學院 電子信息與電氣工程學院， 江蘇 常州 213002)

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水質參數監測無線傳感網匯聚節點設計

鮑玉軍*， 張 兵， 丁國梁

(常州工學院 電子信息與電氣工程學院， 江蘇 常州 213002)

針對生活及工農業生產用水的安全性、可靠性等要求，需要對水質參數進行有效、實時監測.設計一種新型的集傳感器、數據采集及處理、無線通信等技術于一體的水質參數WSN(無線傳感網)匯聚節點.采用性能優異的Zigbee芯片CC2530完成所采集的水質參數A/D轉換及WSN節點間數據通信；并使用性能優異的ARM7內核的S3C44B0X微處理器對采集的數據做進一步分析處理，通過控制GPRS模塊完成數據遠程傳輸.該匯聚節點使用太陽面板發電并對蓄電池充電的設計，解決系統獨立能源供應問題，其能源轉換控制由S3C44B0X完成；通過移植μC/OS-Ⅱ至S3C44B0X管理匯聚節點的運行.研究結果表明該WSN匯聚節點可長期有效用于野外各種水質參數的監測，性能穩定可靠.

WSN; 匯聚節點; 太陽能；ARM7核

水質參數的監測，在工、農業生產及生活用水中占有舉足輕重地位.為保證生活安全用水，及水產養殖用水的可靠性，需要對水資源的各種水質參數進行長期有效監控.長期以來，環保部門及水產養殖部門主要通過設置多個監測點進行水樣數據采集，再進行實驗室內的各種分析，其數據采集的延遲性及數據的片面性不能及時反映水資源的動態狀況.在水產養殖水質監測方面，國內部分養殖場已經開始使用“WSN(無線傳感網)監測水質”代替“傳統人工取樣測量”或“相對較先進的基于現場總線的有線無人值守測量”.但因國內無線水質監測技術起步較晚，自動化水平總體較低，尚處于起步階段.針對這種狀況，研究、設計一種能適應我國國情的基于WSN水質參數監測系統具有重大意義.

WSN是由具有感知、處理和無線通信能力的微型節點通過自組織方式形成的網絡.目前已經廣泛地用于軍事、救災、環境監測、醫療、農情監測、保健、智能家居、工業、商業等多個領域.WSN能夠對被監測區域進行長期實時監測，并實現對被測目標的跟蹤，具備迅速開展、低功耗、抗干擾強等多種優點[1].

1 基于WSN的水質參數監測系統

基于WSN的水質參數監測系統如圖1所示，整個系統分為3層：感知層、網絡層和管理層.感知層包括監測水質參數所需的各種傳感器(如溶解氧傳感器、PH值傳感器、溫度傳感器等)，這些傳感器包含在每一個WSN傳感器節點中；網絡層涉及到多個傳感器節點之間及傳感器節點與匯聚節點之間的無線數據通信.WSN中匯聚節點除了包含普通傳感器節點所有功能之外，還要承擔監測區域WSN內的重要數據處理任務，以及通過GPRS通信方式與管理層之間進行遠程數據通信任務；在管理層，用戶可借助于手機、PC機等網絡終端登錄服務器中數據監控平臺，以實時了解被監測區域內的水質情況.

基于WSN的水質監測系統多部署于野外，系統長時間能源供應問題比較突出，此外數據通信環境較為惡劣，必須采取一定措施保障數據通信的可靠性.論文提出一種適應于水質參數監測的WSN匯聚節點設計，包括基于Zigbee芯片CC2530的水質參數數據采集及WSN無線數據通信模塊的設計，考慮到CC2530自身51內核處理能力的有限性，利用ARM7核微處理器S3C44B0X對所采集的數據作進一步分析、處理；設計了基于S3C44B0X的太陽能供電裝置.作為匯聚節點，利用S3C44B0X控制GPRS模塊的方式，實現WSN數據的遠程傳輸[2].

圖1 基于WSN的水質參數測量系統Fig.1 Monitoring system of water-quality-parameters based on WSN

2 用于水質參數監測的WSN匯聚節點設計

用于水質參數監測的WSN匯聚節點結構如圖2所示.CC2530是TI公司近幾年推出的新一代Zigbee片上芯片.它內嵌標準的8051微處理器內核，完全兼容IEEE802.15.4協議標準，內部集成了包括存儲器(RAM和ROM)、A/D轉換器、SPI通信總線及無線射頻模塊等在內的多種功能模塊，這在實際應用中能簡化硬件設計，且最大程度地實現低功耗無線通信[3-4].

普通傳感器節點，依靠CC2530內部的A/D轉換器，將傳感器所采集到的各種水質參數進行A/D轉換并進行初步處理，再將之通過內置Zigbee射頻模塊進行傳感器節點之間通信.作為匯聚節點，考慮到CC2530有限處理能力，額外增加了ARM7核微處理器S3C44B0X用于對WSN數據作進一步處理，通過控制GPRS模塊(MC39i)以實現WSN內監測數據的遠程傳輸.考慮到節點實際應用環境，采取太陽能發電并對蓄電池充電的方式對整個節點進行能源供應，光伏充電控制由S3C44B0X完成，安全、可靠.

2.1 采用太陽能供電的系統能源轉換裝置設計

圖3 太陽能電源控制器結構圖Fig.3 Structure of power controller designed for solar energy’s application

為了有效地了解及控制太陽能電池板及蓄電池工作狀態，采用2組閉環霍爾電流傳感器CHB-50SE(取樣電阻RM為50 Ω，則電阻上5 V電壓對應“輸入50 A，輸出100 mA”)和霍爾電壓傳感器CHV-50P(輸出1 V對應輸入10 V)分別對太陽能電池板輸出電壓、電流和蓄電池的輸出電壓、充電電流等四部分參數采樣，并由S3C44B0X微處理器對采樣數據進行處理.考慮到四路采樣信號幾乎都是直流信號且變化緩慢，故直接采用S3C44B0X的內置的四路十位A/D轉換器(AD0-AD3)進行數據轉換，可節約硬件成本.圖中的光電耦合器6N137主要用于隔離S3C44B0X所輸出的控制信號，以驅動功率開關器件T1，提高系統的抗干擾能力及穩定性.

2.2 匯聚節點GPRS通信模塊接口設計

S3C44B0X與GPRS無線通訊模塊MC39i的接線如圖4所示.MC39i包含9針頭的標準RS232接口，與S3C44B0X之間的數據通信采用SP3232芯片進行電平轉換.SP3232與S3C44B0X的串口相連實現全雙工通信.在MC39i發送數據之前，用PPP協議先將MC39i模塊接入Internet.在TCP/IP協議中，PPP屬于數據鏈路層，用于在兩個對等網絡終端之間傳輸數據分組.具體操作為：使用LCP(可擴展鏈路控制協議)建立數據鏈路，并對之進行配置和測試；再用NCP(網絡控制協議)創建、設置不同網絡層協議.在匯聚節點首次上電啟動初始化之后，便對MC39i模塊進行包含工作頻率等參數在內的各種設置，隨后開始撥號與移動基站之間進行PPP協商，在獲得移動商提供的本地IP地址之后，便完成了GPRS模塊接入Internet的操作.

圖4 GPRS控制模塊Fig.4 Controlling module of GPRS

在MC39i模塊撥號成功并接入Internet之后，S3C44B0X采用“AT指令”對MC39i進行控制.在通信上行端，S3C44B0X即可通過串行口控制MC39i模塊進行無線數據遠程傳輸.S3C44B0X將匯聚節點需要遠程傳遞的數據首先進行TCP/IP協議格式處理(得到IP格式數據報)，再通過串行口對MC39i模塊進行控制以將IP數據報轉換為GPRS數據分組格式并上傳至GPRS網絡.在通信下行端，則按照層層解數據包的操作得到IP數據報，再由系統對之處理獲得應用數據.GPRS撥號上網過程以及PPP協商過程如圖5所示[5].

圖5 GPRS模塊撥號上網及PPP協商流程Fig.5 Process of GPRS module’s dialing up access and negotiation of PPP

3 嵌入式TCP/IP協議實現及μC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植

TCP/IP協議簇包含4層，每層均含多種復雜、龐大的網絡協議.考慮到該WSN匯聚節點主要用于基本的數據遠程傳輸，故在S3C44B0X中對TCP/IP協議簇采取裁剪式的實現，保留核心、基本協議(主要包括PPP、ARP、UDP、TCP及IP等)[6]，具體以“能應用”為目標，其裁剪之后的TCP/IP協議如表1所示.

表1 標準TCP/IP協議裁剪前后的主要差異Tab.1 Main differences between standard TCP/IP and the simplified form

在微處理器上移植嵌入式操作系統管理整個系統的運行已經成為嵌入式系統發展的趨勢，CC2530內置8051微處理器，但考慮到其處理能力有限，無法同時勝任WSN匯聚節點除了數據采集、轉換及節點之間無線射頻通信任務之外的WSN數據分析、TCP/IP協議實現及對GPRS模塊操作任務.采用在S3C44B0X上移植μC/OS-Ⅱ管理WSN匯聚節點“上下位機(S3C44B0X與CC2530)通信”，能使節點有良好的實時性和可靠性.

針對S3C44B0X的處理器結構特點，利用匯編編寫一些代碼，使μC/OS-Ⅱ能對S3C44B0X微處理器相關寄存器進行操作.具體包括：與編譯器無關的數據類型定義、堆棧數據類型及其增長方向定義包含在OS_CPU.H文件中；μC/OS-Ⅱ任務堆棧初始化代碼則包含在OS_CPU_C.C文件中；而系統時鐘中斷和任務切換函數等操作系統核心代碼則是采用匯編語言編寫并包含于OS_CPU_A.S文件[7].

4 結論

在國內外，關于水質的監測始終是研究熱點之一.目前已提出包括生物學測量在內的多種監測方法.為確保生活安全用水及工農業生產用水的質量，依靠無線傳感網的突出優勢，在被監測水域設置多個傳感器節點進行無人值守監測，利用節點之間WSN通信傳輸數據，并由WSN內匯聚節點對數據進行融合、處理，并遠程傳輸至服務器.用戶可借助PC機、手機等在內的多種網絡終端登錄監控平臺，以實時了解被監測水質情況.

論文主要設計了一種能適應水質監測的WSN匯聚節點，重點對其硬件結構設計進行了介紹.考慮到節點實際的工作環境特殊性，采取太陽能發電并對蓄電池充電的模式提供系統所需的各種電源，解決了WSN中最為重要的功耗問題(直接關系節點運行的生命周期).研究結果表明該WSN匯聚節點可長期、有效地用于野外各種水質參數的監測，性能穩定可靠.同時，該匯聚節點設計方法對其他使用WSN進行監測的場合同樣有較大的指導意義.

[1] 余小華， 陳 瑛. 一種改進的WSN擁塞檢測和控制機制[J].華中師范大學學報：自然科學版， 2011， 45(02):199-203．

[2] Jiang J， Lin T， Yang E. Application of a web-based remote agro-ecologicalmonitoring system for observing spatial distribution and dynamics of Bactrocera dorsalis in fruit orchards[J]. Precision Agriculture， 2013， 14: 323-342．

[3] 李新慧， 俞阿龍， 潘 苗. 基于CC2530的水產養殖監控系統的設計[J].傳感器與微系統， 2013， 32(03):85-88．

[4] 陳克濤， 張海輝， 張永猛. 基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J].西北農林科技大學學報：自然科學版， 2014， 42(05):183-188．

[5] 鮑玉軍. 基于ARM與GPRS技術的SCADA系統在風光電廠中的應用[J]. 電子技術應用， 2011， 37(06)：131-134．

[6] 梁小宇， 劉新華. 基于組播樹的改進一致性數據融合算法[J].華中師范大學學報: 自然科學版， 2011， 45(03):374-379．

[7] 何一鳴. 基于LPC2214的傳感器網關設計[J]. 南京航空航天大學學報， 2012， 44(06)：911-916．

Sink node of wireless sensor network for monitoring of water-quality-parameters

BAO Yujun， ZHANG Bing， DING Guoliang

(School of Electronic Information & Electric Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， Jiangsu 213002)

To meet the requirements of high reliability and safety of water for daily life， industrial and agriculture production， real-time and reliable monitoring of water-quality-parameters should be implemented. A kind of Sink Node of WSN including such technologies as intelligent sensor， data acquisition and wireless communication for monitoring of water-quality-parameters was designed. Water-quality-parameters’ A/D conversion and the communications between Sensor Nodes are realized by using CC2530. The final data of WSN is processed by using ARM7 kernel Microprocessor S3C44B0X， and the processed data is transmitted by controlling GPRS module. Solar panel and battery is applied in this design， which doesn’t need additional electric power. And the conversion from solar to power is also controlled by S3C44B0X. μC/OS-Ⅱis transplanted to S3C44B0X， which is helpful for the operation of Sind Node. The research results indicate that this Sink Node is able to be applied in long monitoring of all kinds of water-quality-parameters with excellent performance.

WSN; sink node; solar power； ARM7 kernel

2015-01-31.

江蘇省自然科學基金項目(BK20141165)；江蘇省大學生實踐創新項目(201411055038).

1000-1190(2015)04-0527-05

TP399< class="emphasis_bold">文獻標識碼： A

A

*E-mail: yujun_bao@163.com.