基于ZigBee技術(shù)的低能耗水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)初探

摘 要：介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機(jī)、服務(wù)器終端和若干個(gè)監(jiān)測單元，上位機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)接收服務(wù)器終端發(fā)送的信號(hào)，監(jiān)測單元包括溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器、ZigBee芯片、無線通訊模塊和用于電源供給的電源模塊；電源模塊包括太陽能板、蓄電池和模擬控制器。利用若干個(gè)監(jiān)測單元對水質(zhì)進(jìn)行檢測，利用電源管理模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測單元的電源供給，其中，利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電能，并利用蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)；此外，利用模擬控制器實(shí)現(xiàn)供電的控制，從而避免電能的浪費(fèi)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；低能耗；水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.065

1 引言

眾所周知，水是生命之源，所有生物均離不開水，從而可以看出，水質(zhì)的好壞將直接影響到人和動(dòng)植物的生存。

目前，隨著水污染越來越嚴(yán)重，人們越來越重視水的安全，特別是飲用水。對于水質(zhì)的好壞，基本采用水質(zhì)探測器對水質(zhì)進(jìn)行檢測，而現(xiàn)有的水質(zhì)檢測是采用多種傳感器同時(shí)進(jìn)行探測工作，各個(gè)傳感器的工作得不到很好協(xié)調(diào)，其中，有些傳感器可能不需要進(jìn)行長時(shí)間工作，因此，電能浪費(fèi)較大，若采用太陽能供電，其自身電能本身就存在局限，從而對水質(zhì)監(jiān)測工作帶來不便[1-3]。

2 系統(tǒng)介紹

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，它包括上位機(jī)、服務(wù)器終端和若干個(gè)監(jiān)測單元，上位機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)接收服務(wù)器終端發(fā)送的信號(hào)，監(jiān)測單元包括溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器、ZigBee芯片、無線通訊模塊和用于電源供給的電源模塊。

（1）溫度傳感器和無線通訊模塊與ZigBee芯片連接， ZigBee芯片通過無線通訊模塊與服務(wù)器終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，PH值傳感器、溶氧傳感器和濁度傳感器分別通過PH值信號(hào)調(diào)理電路、溶解氧信號(hào)調(diào)理電路和濁度信號(hào)調(diào)理電路與ZigBee芯片連接。

（2）電源模塊包括太陽能板、蓄電池和模擬控制器，太陽能板通過電壓調(diào)節(jié)電路與蓄電池連接，蓄電池的正極依次連接有穩(wěn)壓/升壓模塊、第一電壓轉(zhuǎn)換器和第二電壓轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓/升壓模塊、第一電壓轉(zhuǎn)換器和第二電壓轉(zhuǎn)換器均與模擬控制器連接，第二電壓轉(zhuǎn)換器還與ZigBee芯片連接，模擬控制器與溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器、ZigBee芯片、無線通訊模塊、PH值信號(hào)調(diào)理電路、溶解氧信號(hào)調(diào)理電路和濁度信號(hào)調(diào)理電路連接。

（3）電壓調(diào)節(jié)電路包括變壓器、整流橋和第一三極管，變壓器的初級線圈與太陽能板連接，變壓器的次級線圈與整流橋并聯(lián)，整流橋通過第一電容接地并與第一三極管的集電極連接，第一三極管的集電極和基極并聯(lián)有第一電阻，第一三極管的基極通過穩(wěn)壓二極管接地，第一三極管的發(fā)射極與蓄電池連接并通過第二電阻和第三電阻接地。

（4）ZigBee芯片為CC2530芯片，模擬控制器為ADG1414。

3 具體應(yīng)用

該低能耗水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)工作主要通過若干個(gè)監(jiān)測單元進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用監(jiān)測單元可以對水質(zhì)進(jìn)行大范圍監(jiān)測，監(jiān)測到的水質(zhì)參數(shù)，則利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器終端，服務(wù)器終端則接受若干個(gè)監(jiān)測單元反饋回的信號(hào)并將信號(hào)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)，其中，用戶可通過上位機(jī)將控制信號(hào)發(fā)送至服務(wù)器終端，服務(wù)器終端則將信號(hào)反饋給對應(yīng)的監(jiān)測單元。

（1）監(jiān)測單元具體工作時(shí)，是由溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的檢測，檢測到的參數(shù)信號(hào)則輸入至ZigBee芯片進(jìn)行整理，其中對于PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器所檢測到參數(shù)信號(hào)的要求更高，則需利用PH值信號(hào)調(diào)理電路、溶解氧信號(hào)調(diào)理電路和濁度信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

（2）監(jiān)測單元的電能供給，則通過電源模塊進(jìn)行控制，具體通過太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需能源，并利用蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，而穩(wěn)壓/升壓模塊14、第一電壓轉(zhuǎn)換器和第二電壓轉(zhuǎn)換器對蓄電池輸出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即利用穩(wěn)壓/升壓模塊將信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓和升壓處理使電壓為9V，利用9V電壓為PH值信號(hào)調(diào)理電路、溶解氧信號(hào)調(diào)理電路和濁度信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行供電；隨后利用第一電壓轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，利用5V電壓為溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器和濁度傳感器供電；最后，利用第二電壓轉(zhuǎn)換器將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，利用3.3V電壓為ZigBee芯片和無線通訊模塊供電。

（3）為上述器件供電時(shí)，采用模擬控制器進(jìn)行控制，即利用模塊控制器可控制溫度傳感器、PH值傳感器、溶氧傳感器、濁度傳感器、ZigBee芯片、無線通訊模塊、PH值信號(hào)調(diào)理電路、溶解氧信號(hào)調(diào)理電路和濁度信號(hào)調(diào)理電路的電能供給，實(shí)現(xiàn)靈活控制電能，避免未需要工作的單元進(jìn)行能源消耗，如溫度傳感器和溶氧傳感器，在非特定的檢測時(shí)，可選擇不進(jìn)行工作。同時(shí)，ZigBee芯片與模擬控制器連接時(shí)，時(shí)利用ZigBee芯片的I/O口與模擬控制器連接，因此，可通過ZigBee芯片對模擬控制器進(jìn)行控制。

（4）對于太陽能板與蓄電池之間還連接有電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路可采用包括變壓器T1、整流橋D1和第一三極管Q1，變壓器T1的初級線圈與太陽能板連接，變壓器T1的次級線圈與整流橋D1并聯(lián)，整流橋D1通過第一電容C1接地并與第一三極管Q1的集電極連接，第一三極管Q1的集電極和基極并聯(lián)有第一電阻R1，第一三極管Q1的基極通過穩(wěn)壓二極管D2接地，第一三極管Q1的發(fā)射極與蓄電池連接并通過第二電阻R2和第三電阻R3接地。利用變壓器T1實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，利用整流橋D1實(shí)現(xiàn)整流，利用第一三極管Q1控制蓄電池充電工作，利用穩(wěn)壓二極管D2實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

4 小結(jié)

采用若干個(gè)監(jiān)測單元對水質(zhì)進(jìn)行檢測，利用電源管理模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測單元的電源供給，其中，利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電能，并利用蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)；同時(shí)，利用穩(wěn)壓/升壓模塊、第一電壓轉(zhuǎn)換器和第三電壓轉(zhuǎn)換器將蓄電池輸出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而滿足不同器件、不同電壓的需求，此外，利用模擬控制器實(shí)現(xiàn)供電的控制，從而避免電能的浪費(fèi)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鑫星，王聰，田野，呂熊杰，傅澤田，張領(lǐng)先.基于ZigBee的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015（S1）：168-173.

[2]嚴(yán)麗平，宋凱.基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011（05）：1638-1640+1852.

[3]王劍.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].節(jié)水灌溉，2011（06）：65-67.

作者簡介：陳磊（1987-），男，江蘇金壇人，本科，助理工程師，研究方向：軟件開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通訊，界面UI設(shè)計(jì)。