才通信基于ZigBee水質自動監(jiān)測無線傳感方案

根據現(xiàn)階段對水質自動監(jiān)測無線網絡節(jié)點的功能要求，搭建了一個水質自動監(jiān)測無線網絡節(jié)點平臺，可以滿足不同的監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測需求，只需更換相應的傳感器。水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點的核心模塊由主控MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210組成。 

1 引言 

水質自動監(jiān)測技術具有及時、準確、有效的特點，近年來，在許多國家地表水質監(jiān)測中得到了廣泛的應用。本文針對地表水質自動監(jiān)測問題，提出了水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點設計方案，利用ZigBee無線傳感網絡和MSP430主控芯片對水質監(jiān)測節(jié)點軟硬件各個模塊進行了設計，以實現(xiàn)多功能水質監(jiān)測與采集、ZigBee網絡傳輸及監(jiān)測數據收發(fā)幾部分功能，為同類型的無線傳感網絡環(huán)境監(jiān)測產品提供了可兼容的節(jié)點平臺。

2 水質自動監(jiān)測節(jié)點設計需求 

本文提出的水質自動監(jiān)測節(jié)點主要應用于建立野外大范圍、具有自組網絡、動態(tài)拓撲、多跳傳輸和自修復功能的ZigBee無線水質自動監(jiān)測傳感網絡，如圖1所示。

圖1 ZigBee無線水質自動監(jiān)測傳感網絡示意圖

水質自動監(jiān)測網絡節(jié)點將采集到的水質監(jiān)測數據通過增強型ZigBee接收轉換器傳輸到近端的監(jiān)測基站或遠端的水質監(jiān)控中心后，將由監(jiān)測管理計算機負責對數據進行數據整理、數據分析比較與數據存儲工作，數據分析過程中發(fā)現(xiàn)異常數據將會發(fā)出報警信號，提示操作人員注意對應區(qū)域的環(huán)境異常，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。

各水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點單元根據水質監(jiān)測要求，可安裝在河流、水庫、工業(yè)廢水排污口等地點，以野外無人值守方式工作，通過水質監(jiān)測傳感器采集含氧量、混濁度、COD、BOD、pH值等數據信息，通過無線通訊網絡上傳到上級監(jiān)測站進行處理。建立一個可以組合不同的水質監(jiān)測傳感器，形成針對不同測試環(huán)境可任意組合的多功能水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點平臺，設計需求如下：

1）多種指標監(jiān)測：依據各行業(yè)廢水污染源主要在線監(jiān)測指標可知，對不同的區(qū)域實施監(jiān)測，所需要測量的水質指標不同，通常需要同時監(jiān)測多種水質指標，并要求根據不同測試環(huán)境選擇選擇不同的傳感器組合配置；

2）節(jié)點電源模式：由于監(jiān)測網絡節(jié)點安裝在戶外，節(jié)點分布較散，只能采用內部電源供電，為延長內部電源的工作周期，監(jiān)測網絡節(jié)點必須具備節(jié)能工作的功能；

3）多拓撲多節(jié)點無線通訊：對某片水域的水質監(jiān)測需要在目標流域內布置大量監(jiān)測無線網絡節(jié)點，各節(jié)點將采集到的水質監(jiān)測數據傳送到*控制系統(tǒng)，完成目標流域的數據采集。節(jié)點的空間分布在不同的監(jiān)測環(huán)境中差異較大，例如對水庫湖泊環(huán)境的監(jiān)測，需要將大量監(jiān)測節(jié)點在水域內均勻分布，對江河流域水質的監(jiān)測，需要將大量監(jiān)測節(jié)點沿著河流沿岸分布，形成鏈狀結構。因此要求監(jiān)測網絡節(jié)點可實現(xiàn)多種拓撲結構連接，并實現(xiàn)多節(jié)點通訊的功能；

4）設備成本：由于監(jiān)測無線網絡的布網需要大量監(jiān)測網絡節(jié)點，因此應考慮成本問題，盡可能精簡設計，降低單個節(jié)點的成本。

3 水質自動監(jiān)測無線網絡節(jié)點設計 

3.1 水質監(jiān)測節(jié)點總體設計 

水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點的核心模塊由主控MCU MSP430和ZigBee通訊模塊組成，主控芯片外圍連接若干種針對不同監(jiān)測項目的水質監(jiān)測傳感器，通過不同水質監(jiān)測傳感器的組合形成針對不同測試環(huán)境可任意組合的多功能水質監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點；ZigBee網絡管理和數據收發(fā)主要由CM210模塊負責，利用Z-Stack協(xié)議棧的API接口，模塊實現(xiàn)了ZigBee無線網絡的動態(tài)組網、網絡自恢復、數據發(fā)送和數據接收等任務；水質監(jiān)測傳感器模塊的接口按照標準的工業(yè)通訊接口設計，保證設計的標準化和平臺化，具有良好的可擴展性。水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點框圖如圖2所示。 

圖2 水質自動監(jiān)測無線傳感網絡節(jié)點框圖

3.2 水質監(jiān)測節(jié)點硬件設計 

3.2.1 主控MCU

水質自動監(jiān)測節(jié)點中主控MCU的選擇是至關重要的，本設計中，監(jiān)測網絡節(jié)點核心模塊的主控芯片選用16位單片機MSP430F147。 MSP430系列單片機具有強大的處理能力和超低功耗的特點，尤其適用于使用電池供電，要求長時間工作的場合。本設計方案在MSP430單片機小系統(tǒng)的基礎上，通過8通道ADC、RS422總線接口和I²C總線接口分別實現(xiàn)傳感器輸出的模擬信號采集、串行數據采集和I²C數據采集；通過 I/O口驅動的MOS管，負責控制傳感器模塊的電源，在采集停止或*休眠狀態(tài)下關閉傳感器模塊電源，減小系統(tǒng)的電流消耗；通過UART接口與ZigBee模塊通訊，負責監(jiān)測數據的無線發(fā)送與命令接收。

3.2.2 ZigBee通訊模塊

ZigBee無線通訊模塊選用ZigBee處理芯片CM210，該芯片是專為ZigBee及IEEE 802.15.4應用設計的SoC芯片。CM210適用于有低功耗工作需求的設備，具有多種低功耗操作模式，通過設置芯片內部的電源管理控制器可關閉芯片部分內部時鐘和射頻模塊的電源，使芯片進入不同程度的低功耗模式，并且可以在各種低功耗模式間進行快速切換，進一步降低電流損耗。

CM210的8051內核通過芯片中設置的RF指令集處理數據收發(fā)、中斷、DMA和FIFO等硬件抽象層的工作。CM210在應用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對CM210進行ZigBee數據傳輸的編程時，利用Basic RF層提供的通訊API函數，可以極為便捷地實現(xiàn)用戶的程序工作量，無需進行硬件抽象層的各種繁雜設置和狀態(tài)處理。

3.2.3 傳感器接口模塊

水質自動監(jiān)測節(jié)點的傳感器模塊接口按照標準的工業(yè)通訊接口設計，保證系統(tǒng)的標準化和平臺化，具有良好的可擴展性。監(jiān)控節(jié)點傳感器接口結構如圖3所示。針對模擬接口傳感器，主控模塊為傳感器預留了8通道AD接口，可以連接8路4-20mA、1-5V的模擬接口傳感器；針對數字接口傳感器，主控模塊設計了RS422總線接口和I2C總線接口，以后還可以利用MSP430的剩余資源擴展出SPI接口，總線接口可以連接多個傳感器。

圖3 水質監(jiān)控節(jié)點傳感器接口

出于低功耗設計的考慮，加入傳感器模塊的電源控制電路，通過I/O口控制MOS開關管，在系統(tǒng)休眠時切斷傳感器電源輸出，以減小低功耗模式下的系統(tǒng)電流損耗，延長設備工作時間。當節(jié)點進入監(jiān)測狀態(tài)時啟動傳感器模塊電源，上電保持10秒后開始采集數據并發(fā)送，采集完成后通過MOS管切斷傳感器供電，MSP430與CM210再次進入休眠狀態(tài)。

3.2.4 電源模塊

結合水質自動監(jiān)測無線網絡節(jié)點電源系統(tǒng)要求低功耗、長時間工作、低成本的特點，節(jié)點電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615。相比鉛酸蓄電池的能量比小，重量大，對環(huán)境腐蝕性強，電解液需要定期維護，以及太陽能電池成本高，體積大而言，鋰亞硫酰氯電池具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點。在本設計中，節(jié)點核心模塊CM210和ZigBee采用低功耗設計，在節(jié)點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成后進入節(jié)能模式，可大幅度降低系統(tǒng)的能量損耗，配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且可以有效降低節(jié)點的體積和重量。

3.3 水質監(jiān)測節(jié)點軟件設計 

基于無線傳感網絡的監(jiān)測節(jié)點主要利用MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210負責信息的采集控制與無線網絡傳輸。MSP430負責采集節(jié)點上各個水質監(jiān)測傳感器的數據并對每個數據進行測量值到理化值的數據轉換，將計算結果進行粗比對，判斷是否有數據超標，有則先向監(jiān)測基站發(fā)送相應的警報命令，再按一定格式打包，通過UART接口發(fā)送到ZigBee模塊進行傳輸；ZigBee模塊由監(jiān)測基站或遠端監(jiān)控中心發(fā)送初始化自組網命令和自恢復命令，實現(xiàn)初始組網與自動檢測恢復，負責網絡組網與連接。軟件工作流程見圖4。 

圖4 節(jié)點軟件流程圖 

在調試模式下對當前節(jié)點上各個輸入端口的傳感器類型進行設定，存儲到片內FLASH；在調試模式下對傳感器精度進行標校，將數據轉換公式及標校參數存儲到片內FLASH；在模塊初始化時讀取外部模塊初始數據，判斷各功能模塊通訊與工作是否正常。

另外，MSP430會將當前節(jié)點上各個輸入傳感器的類型、數據轉換公式和標校參數存儲在片內Flash，例如接口1為pH值監(jiān)測傳感器，SensorType[1]=0x01；接口2含氧量監(jiān)測傳感器，SensorType[1]=0x02；接口3為渾濁度監(jiān)測傳感器，SensorType[1]=0x0d；這些寄存器值在程序中預先定義并在節(jié)點配置時根據實際連接情況設置。處理程序根據SenserType的設定值為每個傳感器輸入數據選擇相對應的轉換公式進行處理。轉換公式的參數，即傳感器的標校參數，在調試狀態(tài)下進行逐一標定并存儲，以使每路傳感器的采集精度達到設計要求。

4 性能分析和總結 

本文將無線傳感網絡與水質監(jiān)測相結合，利用ZigBee無線傳感網絡實現(xiàn)自組網與通訊，而使水質監(jiān)測節(jié)點可以大范圍鋪設，實現(xiàn)了對水質監(jiān)測的遠程實時掌控。CM210的低功耗設置，使節(jié)點工作時間有效延長。本設計采用增強型ZigBee模塊，增加了射頻發(fā)射功率，保證了節(jié)點間通訊距離達到3公里，滿足野外大范圍組網的需求。但是當數據節(jié)點間隔較遠且節(jié)點到定位點之間需要經過多跳路由時，不能保證定位精度，如果需要獲取精確的節(jié)點位置信息，還需要通過GPS設備，建立基于GIS的水質監(jiān)測分析管理數據系統(tǒng)。