一種基于CC2630 水質監測系統的設計與實現

顧 涵， 潘啟勇， 張惠國， 夏金威

（常熟理工學院電子信息工程學院，江蘇常熟215500）

0 引 言

水與人體健康和環境保護息息相關，無論是一般的常規五項［1］（溫度、pH 值、溶氧、電導、濁度），還是應用領域環境特增的其他參數，水質監測都對水環境健康衛生具有重要意義。近日，生態環境部印發了“應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情應急監測方案”，更是明確了疫情防控期間水質監測的必要性。為克服傳統監測系統數據準確度低、通信成本高、監測時間長等不足，本文提出了一種基于CC2630［2］的水質監測系統，該系統能夠實現實時監測和同步數據反饋，便于管理部門進行監控和分析。

1 水質現狀分析

我國人口眾多，雖然水資源總量位居世界第六，但人均占有量只有2 200 m3，約為世界人均水平的1 / 5，人均水資源量偏低。此外，水資源的地區分布不均勻，淮河以北地區國土占全國的63.5%，但水資源量僅占全國的17%。根據“中國環境狀況公報”和水利部門2019 年報告，我國水質污染嚴重，全國七大水系的水質持續惡化，在調研的1 600 多個樣本、5 萬多的河段中，根據水質監測參數溫度、pH、溶氧、電導、濁度等的參考分類，如圖1 所示，良好及以上水質的河道比例僅為38.5%，水質極差的比例卻占到了16.1%，這嚴重影響了人們的身體健康和生態環境，需要亟待改善。

圖1 水質類別的構成

2 總體方案設計

水質的主要參數有溫度、pH值、溶氧（DO）、電導、濁度、重金屬離子［3］、生化需氧量（BOD）等。系統應用無線網絡技術，實現對水的溫度、pH值、溶氧的數據采集和監控，智能化程度高，方便數據的分析和處理。

2.1 總體結構設計

水體監測過程中，一般會涉及多個監測點，監測時間較長且環境復雜多樣。針對這些特點，系統總體結構如圖2 所示，由數據采集層、AP 節點［4］匯集層和上位監控層3 部分組成。數據采集層處于系統的最底層，是整個系統的核心，由溫度、pH 值、溶氧3 個測量模塊組成；中間層是AP節點匯集層，是數據的遠程傳輸部分，測量模塊將采集到的相關參數，通過通用分組無線業務（general packet radio service，GPRS）網絡發送至匯集層，完成數據的匯總；頂層為上位監控層，監控層接收由AP節點匯集層通過GPRS 網絡傳輸過來的數據，對其進行高低界值分析和處理后，傳輸到上位機顯示界面，并針對不同區域測量的數據進行需求性報警。

圖2 系統總體結構

2.2 傳感器節點設計

系統采用ZigBee無線［5］網絡通信，水質參數的采集主要由傳感器節點來完成，對傳感器節點結構的設計是本系統設計的重點之一。如圖3 所示為傳感器節點結構圖，傳感器采集部分主要完成對監測范圍內被測對象的感知和具體參數值的采集；信號轉換模塊負責對數據進行轉換；無線通信模塊實現各層和各分節點間的數據傳輸和交換；單片機模塊作為系統的控制核心，實現數據的處理和轉換及運行狀態的控制；電源模塊為整個系統正常工作供電。

圖3 傳感器節點結構

3 硬件設計

3.1 最小系統設計

在最小系統設計中，主要對天線和電源進行分析。天線可以采用2 種設計方案，①外接口單極微型結構（small a type，SMA）天線［6］，該天線通信距離遠，接口性能優良，但體積較大；②倒F 型PCB 天線［7］，該天線數據傳輸精準，但設計時要考慮微波傳送帶線中阻抗的匹配，同時還要控制微波傳送帶線的總長，一般不能超過65 mm［8］。天線和處理器之間要進行負載匹配，選取合適的電感、電容，保證隔直效果。本設計中整個系統體積不宜過大，選用第1 種天線方案。電源供電采用兩種工作方式，在調試過程中，收發數據電流接近40 mA，可以采用5 V便攜式電源供電；在節點供電端，外接鋰電池或者干電池盒，供電電壓一般小于10 V，但要保證電流大于20 mA。為了提高電源的穩定性，設計中應在輸出端和地之間接入去耦電容以濾除干擾雜波。

3.2 ZigBee模塊選擇

ZigBee模塊采用CC2630 作為控制核心，該芯片為低功耗無線模塊，屬于SoC級芯片，內嵌32 bit ARM Cortex-M3 處理器［9］，采用QFN48（7 × 7）封裝，支持2.402 ～2.480 GHz載頻通信，芯片內部集成ZigBee協議棧。同時CC2630 還具有抗干擾性強、集成度高、支持多種協議、接收、發射電流小等優點，選用該芯片能夠滿足ZigBee節點設計時的要求，簡化了設計方案。

3.3 數據采集模塊設計

3.3.1 溫度采集模塊

溫度采集采用PT1000 溫度傳感器［10］，PT1000 的含義是指在0℃時，該電阻輸出的阻值是1 kΩ。該傳感器可以將溫度變量轉換為阻值變化輸出，當溫度升高或者降低時，阻值也會隨著均勻增加或者減小，測量范圍為- 50 ～300 ℃。同時該傳感器還自帶防水功能，具有測量精度高、穩定性好、性價比高等優點。如圖4 所示，采用分壓式電路對溫度值進行采集，當溫度發生變化時PT1000 會轉換為相應的電阻值。A/ D變換采用CC2630 內部單片機的模數轉換模塊，調節變阻器，對比單片機的參考電壓值和熱電阻值的線性關系特性，保持輸出信號在0 ～3.3 V 之間，即可計算出采集的溫度值。

圖4 溫度采集電路

3.3.2 pH值采集模塊

pH值沒有計量單位，是氫離子濃度指數，表示液體中氫離子的總數和總物質量的比，是衡量水體酸堿度的標志。pH 值在0 ～14 之間變化，取值范圍較小，一般在25 ℃下，當pH ＜7 時溶液呈酸性，當pH ＞7 時溶液呈堿性，當pH = 7 時，溶液呈中性。國家允許排放的液體標準中，pH值取值范圍為6 ～9 之間，系統采用InPro4010 固體pH 電極［11］作為測量電極，當被測水體離子濃度發生變化時會引起電極相對參考地之間電壓的變化，根據pH 值和對地電壓之間的特性關系可以計算出pH值。如圖5 所示為pH值采集電路，在0 ～3.3 V最大范圍內采集取值時采用雙運放差分放大電路，以保證數據采集的精度，A/ D 變換同樣采用CC2630 內部單片機的模數轉換模塊來實現。

圖5 pH值采集電路

3.3.3 溶氧采集模塊

溶解在水中的分子態氧稱為溶解氧（DO）［12］，用每升水里氧氣的毫克數表示，水中溶氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度等有關，在自然情況下，水中溶氧的多少是衡量水質的一個重要指標。系統采用DO100 電極［13］來采集溶氧，該傳感器能把水體中的溶氧值轉化為氧電流，氧電流由運算放大電路放大后傳送到A/ D C進行轉換（見圖6）。

4 軟件設計

4.1 ZigBee組網設計

圖6 溶氧采集電路

針對水質監測應用環境的復雜性，系統引入了蟻群算法，傳統的蟻群算法對能量缺少控制機制，容易出現網絡節點能量驟減、生命周期縮短、路徑擁塞等情況。針對這些問題，在系統中增加了能量控制環節，在滿足最優控制解的同時，考慮了節點能量損耗，提高了整個網絡的工作效率。同時在數據反饋端增加了延時，時延能夠有效緩解網絡的擁塞程度，使整個網絡運行更為順暢。另外，系統還引入了帶有獎懲機制的更新方法，在路徑識別過程中，對最優解路徑進行適當獎勵，反之進行一定懲罰。這樣可以引導數據流盡可能選擇不同的合適路徑進行傳輸，使能量消耗更為均衡，能夠最大可能避免陷入最優解停滯狀態，帶最優解路徑獎懲機制的程序結構為：

struct AntStruct

｛int xxx，yyy；/*蟻群當前位置*/

int dir；/*行走方向*/

int speed；/*行走速度*/

int SpeedTimer；/*速度計數器*/

int food；/*是否攜帶食物*/

int SmellAmount［2］；/*最優解路徑獎懲信息*/

int tracex［TRACE_REMEMBER］；/*位置x坐標*/

int tracey［TRACE_REMEMBER］；/*位置y坐標*/

int TracePtr；/*路徑指針*/

int IQ；｝/*路徑更新*/

ant［MAX_ANT］；

4.2 網絡協調器控制流程

網絡協調器是網絡通信中的啟動設備，主要負責整個網絡的建立和運行，在ZigBee 組網中只允許有一個網絡協調器，后端可以有多個終端設備。在工作過程中，網絡協調器通過選擇信道和域網ID來啟動整個網絡，整個流程如圖7 所示，主要包括協調器建立網絡、節點數據的接收及上位機數據的發送3 個部分。

圖7 網絡協調器控制流程

4.3 傳感器節點控制流程

ZigBee傳感器節點是網絡協調器的前端層，功能相對單一，主要負責接收、處理和發送傳感器采集到的數據。當傳感器節點沒有通信任務請求時，可以處于睡眠或者喚醒狀態，功耗較低，采用電池供電。如圖8所示為傳感器節點控制流程，主要包括數據采集和網絡通信，對應數據的接收和發送功能。流程的初始化主要完成入網初始參數的設置，待信道掃描后選擇與之適應的網絡相連。

圖8 傳感器節點控制流程

4.4 AP節點控制流程

接入點（acces point，AP）節點層主要負責定時時間的控制和向上位監控層發送數據。系統工作時，每間隔20 min 采集一次水質參數，AP 節點的工作狀態由定時器來控制，當定時器處于喚醒工作狀態時，向上位監控層發送數據，直至定時器計數結束停止發送，進入休眠工作狀態等待下一次被喚醒。在休眠工作狀態，AP 節點處于中斷模式，傳感器暫停工作。采用不同的IP地址設置使數據傳輸更為流暢，避免了數據沖突，程序流程如圖9 所示。

圖9 AP節點控制流程

5 系統測試及分析

為驗證系統溫度和溶氧值測量的準確性，選取8種不同的水體進行測量比較。在測溫時，采用實驗室高精度LX922 水溫計和溫度傳感器系統分別進行了測量。LX922 水溫計測量范圍為- 50 ～+ 300 ℃，測量精度高，是一種自帶LCD 顯示的測溫裝置，把其測量值作為真值處理。完成測量后記錄了測量結果，計算絕對誤差和相對誤差。由表1 和圖10 可見，兩種測量方法的測量結果相近，測量絕對誤差平均值為0.1 ℃，相對誤差平均值為0.32%，在排除測量過程中人為產生的誤差外，可以認為傳感器系統的測量準確度較高。在測量溶氧值時，采用實驗室AR8210 溶氧測量儀和系統溶氧測量傳感器進行了測量。AR8210溶氧測量儀測量值作為真值處理，由表1 和圖11 可見，兩種測量方法的測量結果同樣相近，測量絕對誤差平均值為0.05 mg / L，相對誤差平均值為0.53%，測量結果較為準確。

表1 溫度和溶氧值測量結果

圖10 溫度測量對比曲線圖

圖11 溶氧值測量對比曲線圖

為測試系統pH 值的測量效果，選擇純凈水、紅茶、綠茶、雪碧、可樂5 種液體進行取樣測量，與實驗室AZ8686 型pH 值測量儀測量值進行比較，AZ8686 型pH值測量儀測量值作為真值處理，見表2，測量絕對誤差平均值為0.1，相對誤差平均值為3.39%，測量值能夠基本反映出液體的酸堿度特性，但存在一定誤差，主要原因可能是由于pH電極校準存在誤差及運放電壓的失調造成的，在后續的方案設計和完善過程中將進一步修正，以提高pH值測量的準確度。

表2 pH值測量比較

6 結 語

水質監測是及時、準確和全面反映水質現狀及發展趨勢的重要手段，更是水環境管理、污染源控制、環境規劃等科學依據的主要來源，對整個水環境保護、水污染控制以及維護水環境健康方面起著至關重要的作用。本文研制了一種基于無線傳感器網絡的水質監測系統，并對系統的總體方案進行了分析，對硬件結構中的關鍵部分進行了闡述，描述了軟件設計流程，分析了水質監測過程中ZigBee組網設計的原理，在后續的研制中將進一步對傳感器的校準優化、節點放置等問題進行深入研究。