一種帶姿態檢測的水域水質檢測自組織節點設計*

方愿捷，常夢云，張　飛

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院 安徽 合肥 238000；2.國家電網安徽淮南市潘集區供電有限責任公司，安徽 淮南 232000)

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一種帶姿態檢測的水域水質檢測自組織節點設計*

方愿捷1，常夢云2，張飛1

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院 安徽 合肥 238000；2.國家電網安徽淮南市潘集區供電有限責任公司，安徽 淮南 232000)

無線自組網系統有著較強的魯棒性，但對于一個節點來說，節點容易消亡。針對水域特定檢測環境，利用ZigBee、GPRS以及姿態檢測技術，設計了一種帶姿態檢測的水域水質檢測的自組織節點，利用MEMS陀螺儀增強節點對自身的環境的感知能力，并通過差速電機驅動模塊微調能力增強節點的穩定性，實現了帶姿態檢測的水域水質檢測節點。

水質監測；自組織；姿態檢測；MEMS陀螺儀

引用格式：方愿捷，常夢云，張飛. 一種帶姿態檢測的水域水質檢測自組織節點設計[J].微型機與應用，2016,35(16)：80-82.

0　引言

隨著無線自組織技術的迅速發展，無線自組織網絡作為一種集成了傳感器、無線通信和自動化技術的交叉學科已經得到廣泛的關注。因其布網方便、魯棒性強等特點，自組織網絡在大型湖域、海域、森林等都有廣泛應用[1-3]。雖然整個系統具備較強的魯棒性，但是對于每個節點，都會受到各種惡劣環境的影響，不可避免地會造成部分節點死亡。這種情況出現會造成不可避免的經濟損失。對無線自組網節點也需要進行設計。針對大型湖域、水域等檢測節點，容易受到風浪影響，檢測節點容易被損毀。

自平衡技術已經在多個領域獲得應用，自平衡小車技術已經很成熟[4-6]。在無線自組網的水域檢測系統中，自平衡檢測節點將增強節點的適應能力以及對抗惡劣環境的能力。

1　自平衡水域檢測節點設計

圖1　分級結構圖

水域水質關系到居民用水安全，鑒于水域的不同劃分，無線自組織網有不同的層次結構：平面和分級。根據水域的特殊性，選用分級結構，分級結構圖如圖1所示。分級結構應包括：簇內節點、網關節點和簇頭節點。3類節點各自擔任的角色不同，但是在該系統中，3種節點的設計應是相同的。

圖2　傳感器節點結構設計

如圖2所示，系統節點采用STM32作為主控處理器，搭載PH傳感器、溫度傳感器、ZigBee模塊、MEMS陀螺儀、GPRS模塊、電機驅動模塊并配以顯示和報警模塊。簇內節點的傳感器通過采集溫度數據、PH數據，通過ZigBee模塊發送數據至簇頭節點，簇頭節點通過壓縮算法，將數據壓縮打包后遠傳至終端。

MEMS陀螺儀對小船姿態進行檢測，當節點受到外界環境影響姿態發生變化時，容易造成傾覆，此時節點的兩臺電機會進行微調，提高整個系統穩定性。兩個電機也可以實現節點的運動，接受遠程終端指令，實現節點的能控，可以更好地調整水域內節點的分布。

2　水質數據處理單元設計

PH值、水溫度等因素是表征水質的重要特征，水質數據處理單元包括傳感器數據采集模塊、無線發送模塊及數據遠傳模塊等主要模塊。

節點中的水質采集單元里的溫度傳感器使用DS18B20數字式傳感器，PH傳感器與STM32的AD 模塊相連，直接將轉換的電壓信號轉換為數字量輸入到STM32處理器中。

水質檢測系統采用ZigBee進行組網，ZigBee模塊是以CC2430為核心的模塊，CC2430與STM32的復用引腳的UART實現串行通信，STM32將檢測的數據經過UART模塊的發送引腳發送至ZigBee模塊，在移位處理器中將數據逐位發送出去，ZigBee在接收到數據后通過無線網絡傳送到下一個節點。

水質數據遠傳模塊使用SIM900A，SIM900A是一個GSM/GPRS通信模塊，該模塊與處理器通信采用串行異步通信即UART通信，使用模塊時，只需給SIM900A提供一個+5 V電源，將其串行通信接口與STM32的另一個串行口相連，STM32的雙串行接口使得GPRS模塊與ZigBee模塊可以并行工作互不影響，資源得到充分利用。

3　節點姿態檢測單元設計

MEMS陀螺儀作為姿態檢測單元已經廣泛地應用于自平衡小車和飛行器中，成為小車、飛行器增模塊[4-6]。

MPU6050六軸傳感器模塊采用高精度陀螺加速計，傳感器模塊可以對x、y、z方向的加速度進行測量，通過姿態矩陣解算器，配合動態卡爾曼濾波器，將加速度信號進行數據融合，輸出載體姿態角。其姿態解算過程如圖3所示。

圖3　陀螺儀姿態解算過程

姿態解算模塊通過I2C與STM32串口相連，STM32通過串口訪問MPU6050獲得載體在x、y、z軸上的姿態角α、β、γ。輸出的加速信號和計算解得的角度信號如圖4所示[7-9]。

圖4　六軸傳感器檢測數據記錄圖

4　節點結構及動力單元設計

系統節點具備自組織能力，當節點死亡的時候，鄰近的節點能夠補上，需要對節點具有能動性，因此對節點應具備微調能力，節點添加電機驅動模塊能夠實現節點的驅動，節點采用兩個電機差速工作。

承載結構主要材質為聚苯乙烯板，聚苯乙烯有著質量輕，價格低廉的優勢，該船體有著雙層防水層，可以很好地隔開水汽對電路的干擾，即使最下層破裂也能漂浮在水面上，提高節點工作的穩定性。船體結構的外形設計如圖5所示。

圖5　承載結構主視圖、俯視圖、左視圖

電機驅動采用的L9110控制驅動芯片是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，雙通道能驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750～800 mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5～2.0 A，使它在驅動直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。驅動電路如圖6所示。

圖6　電機驅動電路

MEMS陀螺儀進行姿態檢測，如果節點有向某一軸向傾覆的趨勢，反方向的LG9110驅動電路將輸出PWM波，驅使一邊的差速電機獨立工作，平復小船傾覆趨勢。

5　實驗測試

各節點應將數據發送到簇頭節點，簇頭節點將數據進行匯總，匯總后將數據進行打包發送。在測試時，為了驗證正確性，數據將在簇頭節點上進行匯總顯示，并與接收到的數據進行對比調試。圖7展示了調試的畫面，上面的電路板為簇頭節點，下面的電路板為對等節點1，可以觀察到對等節點1檢測出溫度數據為19.8℃，PH值為7.62，經過ZigBee模塊發送到簇頭節點后匯總，簇頭節點顯示出當前A、B、C、D 4個節點當時的PH值，匯總的節點數據如表1所示。

圖7　簇頭節點匯總溫度數據

測試過程中，將節點3的傳感器探頭放在PH大約為2的酸性溶液中，顯示出測量的節點數據如圖8所示，測得PH值為2.41，溫度為20.8℃。

表1　匯總節點測試數據

圖8　檢測節點測到pH值2.41

6　結論

本文設計了帶姿態檢測的水域水質檢測自組織節點在對無線自組織網絡和水質檢測的方法深入研究的基礎上，圍繞著節點，設計了由SIM900A和CC2430組成的無線傳感網絡，節點在無線傳輸、數據遠傳中都得到較好的應用。節點自帶姿態檢測，增強了節點抗擾動能力，為節點自平衡提供了可能。后續工作中可以將數據融合、節點的自平衡能力作為研究方向，使其可以具備更強的抵抗自然災害的能力，提高系統的穩定性。

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The design of water quality detection self organizing node with attitude detection

Fang Yuanjie1, Chang Mengyun2, Zhang Fei1

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering，Chaohu University, Hefei 238000，China;2.State Grid Anhui Huainan Panji District Power Supply Company, Huainan 232000, China)

The wireless ad hoc network system has strong robustness. For a self-organizing node, it may be dead for the environmental reasons. Using ZigBee, GPRS and attitude detection methods, the water quality detection self organizing node with attitude detection was designed for the special water detection environment. Using MEMS gyroscope to enhance the perception ability of the node to its own environment , the stability of the node was strengthened by the differential motor drive module. The water quality detection node with attitude detection was realized.

water quality monitoring; self-organization; attitude detection; MEMS gyroscope

安徽省高校省級自然科學研究重點項目(KJ2014A173)

TN919

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.023

2016-03-24)

方愿捷(1988-),通信作者，碩士，助教，主要研究方向：電力電子與現代電力傳動。E-mail：fangyuanjie@163.com。