基于無線傳感技術的水環境監測系統設計

賈愛云

（南京市江寧生態環境局，江蘇 南京 211100）

隨著工業化進程的不斷深入，人們在發展社會經濟的同時，帶來了嚴重的環境污染，尤其是對水環境的破壞，給人們的健康帶來了極大的威脅。在我國提倡生態環保和可持續發展理念的大背景下，加強對水資源的保護勢在必行，而水環境監測是一種行之有效的水資源保護手段。但傳統的水環境監測系統成本較高、精準度低，在實際使用中有很大的局限性，尤其是在基礎設施較為薄弱的地區，傳統的水環境監測系統還存在著不適用的問題。為了實現對水環境的有效監測，需要升級和優化水環境監測系統。本文就基于無線傳感技術對水環境監測系統進行了設計。

1 系統整體框架

基于無線傳感技術的水環境監測系統整體框架如圖1所示。該系統主要是由水環境監測節點、信息匯聚節點、后臺處理節點、互聯網應用節點、環保信息查詢、訪問與查看環節以及后臺處理環節七個部分組成[1]。其具體工作流程為：系統首先通過傳感器采集監測的水源相關數據信息，并在信息數據收集完畢之后，通過匯聚節點將數據信息發送至后臺處理服務器，并利用系統中的數據庫對信息進行計算和分析，輸出水資源監測的具體結果，然后系統會將該分析結果通過互聯網絡發送至水環境監測部門，為相關管理人員采取對應的處理措施提供數據支撐。

圖1 水環境監測系統整體框架

2 硬件系統設計

2.1 節點設計

在設計系統節點時，本文結合系統的監測需求設計傳感節點和匯聚節點，并分析各個節點的功能結構與特點。首先，傳感器節點主要是由水溫測量、pH測量、電導率測量、溶解氧測量4種不同傳感器組成，這些傳感器所采集到的數據信息再通過ZigBee模塊發送至匯聚節點。傳感器節點的主要功能是集成模擬前端、ZigBee模塊和高性能MCU[2]。該集成模擬前端主要實現了對水資源溫度、pH值、電導率及溶解氧的測量。在該系統中引入ZigBee模塊，是因其具有功耗較低、體積小及運行穩定性較高等優點，能大幅縮減系統的開發周期，降低系統的開發難度。而RTC可以為傳感節點提供精準的數據信息采集時間，確保數據的精準度。擴展的外部存儲器EEPROM、TF卡等則可以在ZigBee模塊運行出現故障時，存儲和備份數據信息。外接RS485等通信接口可以為傳感節點與各種傳感器模塊進行直接相連提供方便，USB接口則能夠為系統在計算機端的讀取擴展提供便利，MCU內置的ADC和DAC能夠通過外接信號單元實現對4種水質傳感器的一般精度測量。

2.2 處理器

處理器是節點設備運算和處理的核心模塊，主要任務是檢測與采集傳感器信號，計算和收發數據信息等。本文在選擇控制器時，綜合考慮了系統的工作環境及無線傳感網絡的特點，最終確定型號為STM32F107的處理器作為系統傳感節點和匯聚節點的MCN單元。該型號處理器具有功耗低、運行穩定性高、抗干擾能力強及接口較豐富等優點，契合本系統的設計要求[3]。STM32E107處理器帶有USB OTG、時鐘、DAC、ADC等多種接口，并支持待機、停機等不同模式，可滿足系統的不同設計要求。

2.3 無線通信模塊

2.3.1 ZigBee模塊

本系統設計采用型號為DRF1609H的ZigBee無線模塊，完成不同節點之間短距離信息數據傳輸。DRF1609H模塊的內部芯片為雙核ARM-32位的CC2630芯片，信號放大為雙通道功率放大器，最大支持269字節的數據包。該型號的ZigBee無線通信模塊具有體積小、使用便捷的優點，能夠采用UART和MCU進行數據交換。此外，DRF1609H模塊還能與DTK軟件配套應用讀取ZigBee網絡結構，能夠直觀、清晰地看出整個ZigBee網絡結構上所有節點關系及信號強度，為系統組網測試帶來極大便利。DRF1609H模塊電氣參數見表1。

表1 DRF1609H電氣參數

2.3.2 遠程通信模塊

本系統設計選用了型號為H7710S的DTU模塊，該型號的遠程通信模塊可以通過移動網絡搭建客戶端和系統數據服務中心的無線鏈路，方便用戶使用終端設備完成數據的遠程通信。H7710S具有體積小、質量小、工作電壓范圍廣以及支持多種傳輸協議的優點，因此，可以完全滿足本系統的設計要求。

2.4 模擬前端（AFE）

本文硬件系統設計所采用的模擬前端為AD5941，具有功耗低、精度高及穩定性強等優點，適合測量精度較高的系統。該模擬前端內部安裝有兩個高精度激勵環路和一個通用的測量通道，因而可以對各種不同的傳感器進行同時測量。本文基于AD5941所具有的水質分析檢測功能和其高集成度，將其應用于對水質溫度、pH值、電導率以及溶解氧的傳感器數據參數測量中。

2.4.1 溫度測量

考慮到本系統主要用于對河流、湖泊等水體進行監測，因此在選擇用于測量溫度的熱敏電阻時，采用了阻值會隨著溫度的升高而降低的負溫度系數電阻（NTC），但由于負溫度系數電阻和溫度之間呈現出了非線性的關系，并且隨著溫度的不斷升高，電阻的變化率會逐漸變小，這就會導致電阻的測量精度發生變化，因此，在環境溫度變化（-30 ℃～50 ℃）范圍較小的情況下，采用負溫度系數電阻較為合適。本系統設計所采用的負溫度系數電阻電導率傳感器探頭中安裝有10 KΩ大小的阻值，其材料系數B為3 950。電阻值大小與溫度的關系用如下公式來表示：

通過公式（1）的計算可以得出在不同溫度下的NTC電阻值，然后再將其代入如下公式：

經過計算可得到當前水質溫度與AD值的二維數組，然后再采用查表法即可得出所要的溫度數據[4]。在實際的水環境監測項目中，為了保證測量溫度的精準度，通常都會使用分段線性化的方法來對負溫度系數電阻溫度進行測量。

2.4.2 pH值測量

pH值能夠直觀反映水質的酸堿程度，為了能夠精準測量水質pH值，本次系統設計采用了功耗較低、運行穩定的LTC6078精密運放以及3.3 V直流電源來為pH測量電路供電，并選用復合型pH電極，其正極和LTC6078的正向輸入端相連，以實現緩沖放大輸出，pH負極和AD4941內部的DAC偏置輸出VZERO端相連。該處兩端電壓經內部ADC轉換后，能得到穩定的電壓讀數，再使用標準pH值校準液校準并對其進行線性化處理，即可得出精準的水質pH數據。

2.4.3 電導率測量

電導率反映的是水體傳導電流能力的高低，但在水體中真正具有導電能力的是各種離子，因此，測量水體的電導率能夠在很大程度上反映出水體中各種酸堿離子的濃度，進而體現出水質的化學污染程度。本文所設計的電導率測量原理是在電導池兩端施加偏壓，通過測量所產生電流的大小來確定電導率的大小。為了保證電導率的測量精度，本文采取了不銹鋼同軸電導率傳感器，其電導池常數K=0.1，線長2.5 m，該傳感器內部自帶負溫度系數電阻值溫度補償輸出，可以實現對電導率的溫度補償[5]。在對電導率進行測量時，首先需要對ADC分壓電差進行測量，并依據如下公式進行計算便可得出電導率的值。

2.4.4 溶解氧測量

溶解氧反映的是水體中的氧濃度。本文選用了電極型溶解氧傳感器來實現對水體中所溶解的氧含量進行檢測。其具體的測量原理如圖2所示。

圖2 溶解氧測量原理圖

由此圖可以看出，溶解氧電極的一端和RE0相連，AD5941可以在RE0引腳上生成一個大小約為600 mV的偏壓，而溶解氧電極的另一端則和SE0相連接，電流經過SE0端后，流入可編程電阻RTIA，然后會產生一個和溶解氧呈線性相關的電壓信號VLPTIA，之后再經由ADC對差分電壓進行采集之后得到具體的AD電壓數值，再將該電壓數值和標準溶解氧進行校準和溫度補償之后，便可得到較為精準的溶解氧數據。

3 軟件系統設計

3.1 嵌入式軟件設計

3.1.1 傳感節點程序流程

本文所設計的傳感節點程序流程如下圖3所示。由圖3看出，該程序運行時先關中斷，然后再對由匯聚節點發送過來的信號進行檢測，待終端檢測到信號之后，系統開始啟動設備對該程序進行初始化，開啟終端，設置時鐘信號以及LCD顯示信息等。然后程序進入任務主循環，從而判斷是否有事件發生，如果有事件，則再對事件的優先級進行判斷，然后調用系統中的事件處理函數對相關數據進行采集和處理。

圖3 傳感節點程序流程

得益于CC2630內部集成了多個ADC模塊，可以實現對多個數據的同時測量，可以采用多通道測量，并在對應的采集函數中對每個傳感器通道進行定義，然后對采集函數進行分時復用。可以先對溫度進行測量，待溫度數據被讀取之后，再將其轉換為對應的字符串，然后再對其他傳感器數據進行采集，待采集完成之后將數據發送至AD轉換器進行轉換，再將其轉換為字符串，最終得出真實的水質狀況數據。等待對所有的傳感器數據測量完成之后，會對該組數據進行發送。

3.1.2 匯聚節點程序流程

匯聚節點主要用于控制網絡的開關，可以實現對多個終端數據采集的同時控制，具有操作簡便、使用成本較低等優點。本文所設計的匯聚節點程序流程如圖4所示。由圖4看出，該程序開始于設備初始化，之后程序會對終端ID號碼進行查找，待找出終端PIN碼之后，將該終端設備加入至網絡中。然后，匯聚節點會向終端發送控制命令，將終端開啟，而后待終端設備初始化之后，運行事件。而傳感器節點所采集的數據經由無線模塊進行接收之后，會將數據進行存儲并將其發送至PC上位機，顯示在屏幕上。

圖4 匯聚節點程序流程

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計流程見圖5，主要內容包含通信串口的檢測、數據傳輸格式的設置、各種節點控制、數據接收以及溫度變化曲線圖等。該程序開始于初始化，然后對串口進行查詢檢測，判斷是否為有效的串口，待程序確定串口有效后，再打開串口讀取數據，并將其分段顯示在文本框中。而溫度數據則采取繪制曲線的方式，待繪滿后，自動進行清屏重新繪制，直至將數據計算完畢。

圖5 上位機軟件流程

4 結語

綜上所述，本文基于無線傳感技術，以無線傳感網絡和ZigBee無線技術為支撐，對水環境監測系統進行了設計。經過調試和測試后證明，該系統具有較強的實用性，能夠在降低水質監測成本的同時，確保監測數據的精準度和數據傳輸的可靠性，從而為水環境治理提供數據的支撐。