基于WSN的城市水資源監測系統節點硬件設計?

齊　華，蘇東閣，劉　軍

（1.西安工業大學電子信息工程學院，西安710021；2.武警工程學院通信工程系，西安710086）

基于WSN的城市水資源監測系統節點硬件設計?

齊華1，蘇東閣1，劉軍2

（1.西安工業大學電子信息工程學院，西安710021；2.武警工程學院通信工程系，西安710086）

城市水資源的污染已成為我國最為嚴重的環境資源問題之一，它嚴重影響了人民的生產生活與身體健康，制約了我國經濟的可持續發展，因此設計出一種自動化、智能化、網絡化的城市水資源監測系統勢在必行。為了解決傳統城市水資源監測手段的不足，提出了一種基于WSN的城市水資源監測系統，設計了面向城市水資源監測的WSN監測節點硬件部分。該節點硬件部分采用集成MCU＋射頻收發芯片的SOC設計方案，選取CC2530射頻芯片和CC2591作為其微處理器和無線通信模塊，使其能對多種水質參數進行采集并上傳到監控中心。實驗結果表明，該節點運行穩定，可準確對被測水域水質參數進行實時采集。

無線傳感器網絡；城市水資源監測；嵌入式；傳感器；CC2530技術；CC2591技術；ZigBee技術

1　引　言

無線傳感器網絡（WSN）由部署在待測區域內的大量微型節點組成，通過無線通訊方式形成一個自組織的網絡系統，其目的是實時監測、感知采集節點部署區內使觀察者感興趣的那些感知對象的各種信息［1］。WSN綜合了傳感器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節點數可變、無統一地址、無線通信等特點，特別適用于大范圍、偏遠距離、危險環境等條件下的實時信息監測，廣泛應用于軍事、交通、環境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個領域［2］。城市水資源監測主要包括對水質的PH值、溫度、導電率、溶解氧、濁度、化學耗氧量（COD）、生化耗氧量（BOD）等各項指標進行監測，通過對這些參數的綜合考察從而判斷水質是否被污染，進而采取相應的防治措施［3］。無線傳感器網絡可以在長期無人值守的狀態下工作，具有巨大的實用價值和廣闊的市場前景。本研究設計網絡節點，能夠采集溫度、PH值等數據，并能由無線收發器發給相鄰節點或通過網絡轉發給服務器。城市水資源監測系統架構圖如圖1，系統主要由無線傳感器網絡和遠程監控中心兩部分組成。系統工作時，由分布在被測水域的大量傳感器節點定時采集用戶所需的水質參數（如溫度、PH值、濁度、溶解氧、氨氮等），通過ZigBee技術將采集到的數據傳輸至網關節點，網關節點將接收到的數據進行融合處理得到被測水域各項水質參數的采樣數據，并通過GPRS傳送給數據服務器。遠程監測中心從服務器獲取數據，解析后以圖形界面形式呈現給用戶，同時將數據存儲于數據庫以便日后查詢［4］。

圖1　城市水監測系統架構圖

2　無線傳感器網絡節點結構及器件選型

2.1無線傳感器網絡節點結構

無線傳感器網絡節點具有原始數據采集、數據信息處理、無線數據傳輸以及與其它節點協同工作的能力。因此，節點一般可以按照功能劃分為四個部分，分別是電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊［5］。無線傳感器網絡節點的硬件組成如圖2所示。

圖2　節點結構框圖

2.2器件選型

無線傳感器網絡節點作為小型嵌入式系統，要具有一定的數據、任務處理功能，同時具有低功耗、低成本、易于開發的特點，所以在器件選型時必須謹慎選擇。

2.2.1處理器與射頻芯片選型

處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5V，有較快的處理速度和能力，由于節點需要大量安置，所以價格也要相對便宜。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2530芯片外加低功耗射頻前端CC2591，用來放大輸出功率，大大簡化了射頻電路的設計。能量供應模塊采用2節可充電干電池，負責為節點提供能量。CC2530是本次設計的核心，它的性能指標對設計開發而言非常關鍵。它結合了高性能的2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發器和一個高性能低功耗的8051微控制器，用于搭建功能健全價格低廉的網絡節點。CC2530在單個芯片上集成了IEEE802.15.4標準2.4GHz頻段的RF無線電收發機，具有優良的無線接收靈敏度和抗干擾性，四種工作模式，具有32KB／64KB／128KB／256KB的可編程FLASH和8KB的RAM，集成了8通道12位模數轉換的ADC，看門狗定時器、32KHz晶振的休眠模式定時器，及1個符合IEEE802.15.4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器，2個USART接口，21個可編程I／O引腳。硬件支持CSMA／CA功能，允許工作電壓（2.0V～3.6V），具有數字化RSSI／LQ支持和強大的DMA功能，具有電池監測和溫度感測功能。CC2530具有從休眠模式轉換到主動模式的超短時間特性，能耗特小，特別適合那些要求電池壽命非常長的野外使用。

CC2591是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF前端，集成了開關，電感器，平衡／不平衡網絡，交換機，匹配網絡，PA功率放大器等功能。可將輸出功率提高＋22dBm，接收靈敏度提高＋6dB。CC2591可與TI公司的所有2.4GHzRF收發器、發送器和SoC連接，大大改善了RF性能，實現用極少的外圍電路實現高輸出功率。

2.2.2天線選型

無線傳感器網絡各節點之間無線通信信號的收發功能是通過天線實現的。天線主要起到變換器的作用，它將導線上傳送的導行波轉換為電磁波，從而可以讓信號在自由空間中傳播，同時，它也能進行相反的轉換，用于信號的接收。在面向城市水資源監測的無線傳感器網絡中，對天線在傳輸距離，方向性等性能指標上有以下幾方面要求：

（1）天線相對來說體積較小，連接和安裝比較簡單方便；

（2）在天線垂直放置過程中，天線的傳輸方向范圍能夠360°傳輸；

（3）天線具有較高的增益，天線駐波比小于2，滿足200米以內的通信需求；

為了使城市水資源監測系統具有高質量和穩定的通信性能，我們在設計時選取的是棒狀天線。

2.2.3傳感器選型

（1）水溫度傳感器采用Dallas公司推出的DS18B20數字式溫度傳感器，適合于惡劣環境的現場溫度測量。只需單線接口，電路簡單不需要AD轉換器件和其它外圍電路，縮小了節點體積，提高了節點的可靠性。

（2）PH值傳感器選擇的是P026W3型PH傳感器，該傳感器在玻璃感應電極頭延長出一個凍膠體，凍膠填充的參考半電化池是密封的，無需重充電解質，可用于城市水資源監測中，維護簡單，工作壽命長。

（3）溶解氧傳感器選用美國GLOBALWATER公司的W Q401型溶解氧傳感器，它是一款堅固耐用、值得信賴的溶解氧測量傳感器，具有線性的4－20mA信號輸出，采用三線配置，使用海洋級環氧樹脂將電子單元完全封裝在不銹鋼外殼內。溶解氧傳感器選用可拆卸的電極防護罩和可更換的溶解氧電極［6］。

3　無線傳感器網絡節點的硬件設計

3.1數據處理與傳輸單元

CC2530最基本的電路包括電源與晶振，其中電源包括數字電源DVDD、模擬電源AVDD、數字內核電源DCOUPL，這里數字電源和模擬電源用同一個電源VDD3.3V，并在電源上加了相應的瓷片電容，增強濾波和去耦性能。CC2530微處理器主晶振需要32M的頻率，以供內部51內核工作，睡眠狀態下則由32.768KHz的晶振來提供時鐘。本節點采用CC2530F256芯片外接CC2591功放模塊組成。CC2530處理器先把采集的數據信號進行模數轉換，然后進行處理，通過CC2591功放芯片發給網關節點。CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳相應連接到CC2530的I／O端口P1_1，P1_4，P0_7，由單片機來控制。當HGM為高電平，表示CC2591接收數據時，LNA是高增益模式；當HGM為低電平，表示CC2591接收數據，LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時置為高電平，當其進入低功耗模式時，將其置為低電平，這樣可以降低功耗［7］。該電路中選用的是棒狀天線，其載頻為2.4GHz，電路整個設計滿足RF輸入／輸出匹配電阻（50Ω）的要求。其CC2530與CC2591硬件設計的主要部分連接原理如圖3和圖4所示。

3.2數據采集單元

3.2.1水溫傳感器電路

水溫傳感器DS18B20支持數據線供電方式（即寄生電源供電方式），此時VDD接地，它是通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量來完成溫度轉換，但是該方式完成溫度轉換的時間較長。所以本系統采用外接電源供電方式，該方式穩定可靠，測量速度較快，為了保證其測量精度，我們給其外接5V電壓以滿足本系統水溫0.5攝氏度的采集精度。為了實現DS18B20高電平輸出，需在IO口連接一個4.7千歐的上拉電阻，數據線DQ與CC2530的P0_7腳相連，通過燒入CC2530的程序就能讀出DS18B20采集的溫度數據。溫度傳感器電路圖如圖5所示。

3.2.2PH值傳感器

本課題PH值傳感器選擇的是P026W3型PH傳感器，如圖6所示為其信號調理電路。P4為PH電極接口，信號輸出后進入電壓跟隨器，電壓跟隨器主要起到隔離和阻抗轉換的作用，R13、R14的阻值均為10兆歐，C28、C29為濾波電容。輸出信號取R13與R14之間的電壓值。設PH電極輸入電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，與CC2530的P0.6相連，與PH值仍然呈線性關系。PH電極產生的電壓Vin為0V－1.4V之間，在PH為7的溶液中，PH電極產生一個0.7V的電壓，PH值每增加1，電壓增加0.1V，PH值每減少1，電壓降低0.1V，輸出信號Vout范圍在2.05V－2.75V之間。通過電路分析可知，Vout與Vin間的關系式如式（1）所示。PH值為0時對應的輸出端電壓Vout為2.05V，PH值為14對應的輸出端電壓Vout為2.75V。由于PH值與輸出電壓值呈線性關系，通過列方程可得PH值與輸出電壓的轉換關系如式（2）所示。

其中K為轉換系數，K=20，單位為1／V，b= 41，通過上式就可以將輸出電壓值轉換為相應的0至14間的PH值。

圖3　CC2530主要原理圖

圖4　CC2591主要原理圖

圖5　溫度采集電路

3.3電源單元

電源模塊為其他模塊提供工作能源，考慮到節點布置于野外，供電不方便，因此選用移動電池組供電，提供5V直流電壓，CC2530若要正常工作，需要3.3V供電電源，這就需要對電源輸出的電壓進行DC／DC降壓處理。穩壓芯片選取的是ASM1117芯片，其內部集成有過熱保護和限流電路，精度為1%，將電池組送出的5V電壓轉換成節點正常工作所需要的3.3V電壓［8］，電路如圖7所示。

圖6　PH傳感器信號調理電路

圖7　電壓轉換電路

4　實驗結果

為了測試設計節點的覆蓋范圍及穩定性，將溫度、PH值、溶解氧傳感器分別連接至節點的相應端口，先通過串口調試助手測試數據的接收和發送情況，在數據發送接收正常的情況下，設置無障礙實驗環境，測得點對點的通訊距離可達300m以上。同時構建最簡單的星型網絡。傳感器節點與協調器節點相距300m，每發送完1次數據后，便進入休眠狀態，5min后恢復，再次發送數據，連續監測2h。網關節點顯示接收到的數據信息并將接收到的數據通過串口上傳到PC機中。實驗表明整個傳輸過程沒有出現丟包現象，而且采集到的數據值準確，表明系統具有較好的可靠性和穩定性。為測試節點功能的準確性，我們模擬實驗室水環境對水溫，PH值和溶解氧進行測量。在進行水溫采集測試時，我們取一個溫度計來對水溫數據進行對比測試；在進行PH測量時選取一個便攜式的PH值測量儀用來在測試過程中對系統采集的數據進行對比測試。通過對測試數據進行分析，可以看出兩個節點對水溫采集的均值誤差均小于0.5，對PH值采集的均值誤差均小于0.05，溶解氧的測量精度達到0.5%滿量程，具備了較高的采集精度，達到了系統的設計要求。

5　結束語

通過對無線傳感器網絡節點中傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源模塊的研究，設計了一種以CC2530為主體的硬件方案，利用該方案設計了CC2530的外圍電路。此外，還對傳感器與單片機的接口電路進行了設計。通過實驗驗證，設計的硬件節點達到了項目要求，經調試能通過傳感器真實地采集數據，并實現兩個無線節點在300m左右的通信和傳輸數據，并上傳到監測中心。

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Design of Node Hardware of Urban Water Resources Monitoring system Based on WSN

Qi Hua1，Su Dongge1，Liu Jun2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi＇an Technological University，Xi＇an 710021，China；2.Dept.of Communications Engineering，China Engineering College of Armed Police Force，Xi＇an 710086，China）

The pollution of urban water resources has become one of the most serious resources and environment problems in our country，it not only affected the people＇s production，daily life and health seriously，also restricted the sustainable development of our country＇s economy.Thus，an automatic，intelligent and networking urban water resource monitoring system，based on WSN，is designed to improve monitoring of urban water resources.The hardware of WSN monitoring node in city water resource monitoring nodes，employing SOC design of the integration of MCU and RF transceiver chip and using the CC2530 RF chip and CC2591 as the microprocessor and wireless communication module，is put forward in this paper.A variety of water quality parameters are collected and uploaded to the monitoring center.The experimental results show that the nodes run stably and the water quality parameters can be accurate real－time acquired.

Wireless sensor network；Urban water resources monitoring；The embedded；Sensor；CC2530 technology；CC2591 technology；ZigBee technology

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.022

TN98

A

1002－2279（2016）01－0087－05

?陜西省科學技術研究發展計劃項目（2014K05－19）

齊華（1963－），女，陜西省咸陽市人，教授，研究生導師，主研方向：無線傳感器網絡、信息傳輸、信息處理、信息編碼理論、電

磁兼容技術等研究和應用工作。

蘇東閣（1987－），男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，主研方向：通信與電子系統設計。

2015－04－27