基于ZigBee無線傳感器網絡的水質監測系統探討

葛 秋

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

0 引 言

這項工作是在考慮到國內受污染的自然水資源的危急情況后開始的。保護我們的水資源，使其始終在為家庭使用而確定的標準之內，這是一項至關重要的任務。隨著國家通過工業化取得進展，我們的水資源容易受到污染的威脅，特別是工業活動造成的污染。因為由于人力、設施和設備成本的限制，當局不可能持續監測水資源的位置。這通常會導致一種無法處理的情況。因此，具有自主性、低成本、可靠、靈活等特點的監控系統就顯得尤為重要。在監測任務中使用自動化將減少對監測現場人力的依賴，從而降低成本?；跓o線傳感器網絡的無線傳感器網絡技術具有靈活性強、實現成本低、可靠性高等優點，在本項目中得到了廣泛的應用。文章采用了一種基于ZigBee的高功率傳輸、低功耗的無線傳感器網絡技術[1]。ZigBee是一種用于無線傳感器網絡的通信標準，它具有成本低、使用方便、功耗小、傳感器節點間數據通信可靠等特點[2]。

文章研究的重點是使用多個傳感器作為檢測水質水平的裝置，作為監測水資源狀況的替代方法。幾個傳感器能夠連續讀取一些指示水質水平的參數，如化學物質、電導率、溶解氧、pH值、濁度等，將用于監測整體質量水平。由于監控計劃在訪問受限的遠程區域進行，因此來自傳感器單元的信號或數據隨后將無線傳輸到基站監測站。

1 相關工程

考慮到目前數據通信用電線電纜存在的通信安裝成本高、傳感器供電成本高等缺點，采用ZigBee對大跨度橋梁進行監測，保護電纜的鋼管安裝困難，電纜溫度變化導致傳感器數據失真，影響電纜和傳感器的噪聲等。ZigBee用于短距離通信，而CDMA(碼分多址)基礎設施用于傳感器之間的長距離通信以及服務器系統。ZigBee在監控系統中的另一個應用見停車管理系統，在這項工作中，ZigBee模塊是基于ATMega128L微處理器和ChipconCC2420收發器集成電路。該系統被建議用于遠程服務，在遠程服務中，患者和醫生之間沒有直接聯系，并且成為開發高效遠程監控系統的基礎，能夠提供有關患者健康狀況的連續、實時和準確的信息。室內環境下的覆蓋性能測試結果表明，系統能夠覆蓋兩個或三個房間，具體取決于墻壁厚度和發射器和接收器的相對位置，如圖1所示。

圖1 傳感器單元無線傳感器節點框圖

2 硬件設計

2.1 傳感器單元

傳感器單元由幾個傳感器組成，用于檢測指示水質的預定參數，文章采用了三種類型的傳感器：pH傳感器、溫度傳感器和基于光電晶體管的混濁度傳感器。所有的傳感器都借助電池發電工作。傳感器感測到的信息隨后被轉換成電信號，并通過信號調節電路工作，以確保傳感器產生的電壓或電流與被感測參數的實際值成比例，然后它被傳遞到一個微控制器或微處理器處理它到人類可以理解的值。

本工作中的無線傳感器節點由傳感器單元、具有信號數字化、數據傳輸、網絡管理等任務的微控制器或微處理器以及用于物理層通信的射頻收發器(RF)組成。它們共用一個電池作為電源，下圖2示出了無線傳感器節點的框圖。

圖2 基于ZigBee的無線傳感器節點框圖

模塊中的微控制器可重新編程，無論是作為終端設備、路由器還是協調節點，作為終端設備的傳感器節點，它只能與路由器或協調器通信以傳遞來自傳感器的數據。終端設備只能通過路由器或協調器與另一個終端設備間接通信，定義為路由器的傳感器節點負責將數據從其他路由器或終端設備路由到協調器或靠近協調器的其他路由器。路由器也可以像終端設備一樣作為數據輸入設備，但在實際應用中，它通常用于擴展監控系統的覆蓋距離。監視系統只能有一個協調員。一種協調器，負責設置網絡要使用的信道，將網絡地址分配給路由器和終端設備，并保存在同一個ZigBee網絡中將數據從一個終端設備路由到另一個終端設備所必需的網絡路由表。用于監控系統的基于ZigBee的無線傳感器網絡框圖如圖3所示。

圖3 用于監控系統的基于ZigBee的無線傳感器網絡框圖

2.2 基站監測站

基站由一個編程為協調器的ZigBee模塊組成，該模塊以無線方式接收從傳感器節點(終端設備和路由器)發送的數據。由于協調器需要不斷地從終端設備接收數據，所以它通常由電源供電。從終端設備節點接收到的數據使用rs232協議發送到計算機，接收到的數據使用基礎監控站上的內置GUI顯示?；窘M件框圖如圖4所示。

圖4 基站組件框圖

3 軟件設計

使用Borland C++ Builder編程成功地開發了GUI平臺，該程序能夠與基站的硬件(協調器)交互。如圖5所示，設置三個終端設備用于連接到協調器，其中一個終端設備通過路由器連接以進一步延長監視距離。首先，用戶必須創建從協調器到顯示單元的連接，發現周圍的節點，并使用屏幕左側提供的按鈕設置數據輪詢率。紅色鏈接表示連接尚未建立。當建立連接時，鏈路顏色變為綠色，這使得用戶很容易根據鏈路狀態來識別網絡中傳感器節點的連接狀態。

圖5 GUI主頁面初始狀態

為了知道被感測參數的值，用戶能夠直接縮放到每個傳感器節點，并且通過單擊所需的節點來顯示所有值，如圖6所示，這里實時顯示溫度、pH值和水濁度的實際值，用戶可以通過單擊協調器圖標來獲得每個傳感器節點處測量狀態的一次性顯示。同時顯示了傳感器節點和協調器之間每個連接的鏈路質量指示器(LQI)值。

圖6傳感器節點處被感測參數值的縮放顯示

4 測 量

文章選取觀音閣水庫作為研究對象，觀音閣水庫工程位于遼寧省太子河流域本溪縣境內，是遼寧省利用外資修建的大型水利工程項目之一，水庫于1995年9月竣工。水庫庫區水面有62km2，最大庫容量21.68億m3，控制流域面積為2795km2，觀音閣水庫具有供水、發電和防洪的綜合效益。對基于ZigBee的無線傳感器網絡在灌溉控制系統中的性能和有效性進行了初步的測試，以驗證其用于實際監測的可靠性和可行性。

4.1 功率消耗

低功耗是無線傳感器網絡部署中的一個重要指標，以確保無線傳感器網絡能夠以最少的維護時間長時間運行。功耗測量僅針對終端設備進行，因為協調器實際上由基站的電源供電。在測量期間，終端設備被配置為處于定時器休眠模式狀態，該節點被配置為每隔30分鐘喚醒一次，持續100ms，以便將數據發送到基站。其余時間，終端設備處于休眠狀態。

4.2 覆蓋性能

覆蓋是無線傳感器網絡的另一個重要方面，因為它顯示了可以覆蓋多大的監測區域，并保證以可靠的信號強度將數據從傳感器節點傳輸到基站。

測量是在平坦的室外開闊場地進行的，假設接近實際應用時沒有障礙物?；疚挥趨^域的中心，傳感器節點以一定的距離間隔以不同的角度放置在0°-360°之間?；镜乃袀鞲衅鞴濣c和協調器均采用2db增益的全向偶極子天線，發射功率為100mw。

4.3 鏈路質量指標(LQI)

模塊中使用的CC2430收發器IC具有內置的接收信號強度指示器(RSSI)，該指示器基于網絡層作為信道選擇算法的一部分使用的接收機能量檢測(ED)測量。在ED測量期間，估計802.15.4信道帶寬內八個符號周期的平均接收信號功率。LQI值是一個無符號的8位整數，范圍從0到255，最大值表示可能的最佳鏈路質量。CC2430中的LQI值基于ED測量期間產生的RSSI值和每個傳入分組的平均相關值，基于分組SFD(幀首定界符)后面的八個第一符號來計算[3]。與RSSI相比，LQI被選為覆蓋性能的指標，因為它考慮了數據傳輸過程中噪聲的影響，而不僅僅是對模塊產生的信號強度的影響。覆蓋性能測量方法如圖7所示。

圖7 覆蓋性能測量方法

5 結果與討論

5.1 功率消耗

表1顯示了終端設備的平均功耗，在活動模式和睡眠模式下都進行了測量。

表1 終端設備功耗

這里需要指出的是，上述測量的平均功耗不僅考慮了模塊消耗的功率，還包括了調壓元件，其外圍電路由電阻、電容等基本元件以及所用傳感器的電源組成。

根據以上結果，電池的壽命可計算如下。

激活模式下的功耗：

W激活=35.5mA×100ms/(60×60×1000)=0.00099mA

(1)

睡眠模式下的功耗：

W睡眠=28.8mA×30分鐘/60=14.4mA時

(2)

W總功耗=14.4+0.00099≈14.4mA時

(3)

電池容量=170mA時

延長電池壽命=170/14.4=11.81小時

從測量結果來看，終端設備節點能夠連續工作12h，而無需安裝新電池，使用容量為170mA時的可充電電池。這意味著它可以在短時間內以臨時方式使用，當然，如果使用更大容量的電池，時間會更好。此外，如果仔細考慮模塊電源電路，使用極低功耗的組件，加上智能電源管理，可以在休眠模式期間降低模塊所需的電壓供應，則可以更好地改善結果。根據要覆蓋的區域選擇正確的功率輸出并定制在ZigBee模塊中執行任務的固件也可以顯著降低總體功耗。

5.2 覆蓋性能

圖8示出了基于LQI值的覆蓋性能。在距離基站10到50米的距離內，使用全向天線可獲得平均均勻的信號強度。為了進一步評估所能達到的最大距離，選擇一個方向并延長終端設備與基站的距離。如圖9所示，在210 m的距離內，在100%成功地傳送分組時仍然可以獲得可靠的信號強度。預期LQI值隨著距離的延長而減小。遺憾的是，由于地理位置的限制，無法確定最大可達距離。在終端設備節點和協調器之間使用路由器有望進一步增加覆蓋距離。

圖8 根據與協調器模塊的距離和方向計算的10-50m距離的LQI值

圖9 延伸至210m的LQI值

在覆蓋性能上，利用大功率傳輸，可以期望最小數量的傳感器節點實現最大的區域覆蓋。然而，為了獲得更可靠的數據，同時考慮到最壞的情況，需要在多個不同的環境下進行其他測量。

6 結 論

總的來說，文章提出了一種基于大功率ZigBee的無線傳感器網絡在低功耗、高可靠性的水質監測系統中的實現方案。大功率無線傳感器網絡適用于制造業、建筑業、采礦業等涉及大面積監測的行業活動。該系統的另一個重要特點是易于安裝，基站可以放置在目標區域附近的居民點，并且可以通過在系統安裝開始時受過最少培訓的任何人。不同環境下的性能建模是未來研究的一個重要方面，因為不同類型的監控應用在系統安裝過程中需要不同的配置。