基於ZigBee水質自動監測無線傳（chuán）感方案

       根據現階段對水質自動監測無線網絡節點（diǎn）的功能要求，搭建了一個水（shuǐ）質自（zì）動監測無線（xiàn）網絡節點（diǎn）平台（tái），可以滿足（zú）不同（tóng）的監測環境的監測需求，隻需更（gèng）換相應（yīng）的傳感器。水質自（zì）動監測無線傳感網絡節點的核心（xīn）模塊由主控MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210組成（chéng）。

1 引言

水（shuǐ）質自動監測技術具有（yǒu）及時、準確、有效（xiào）的特點，近年來，在（zài）許多國家地表水質監（jiān）測中得到了（le）廣泛的應用。本文針對地表（biǎo）水質自動監測問題，提出了水質自動監（jiān）測無線（xiàn）傳感網（wǎng）絡節點設（shè）計方（fāng）案，利用ZigBee無（wú）線傳感（gǎn）網絡和MSP430主控芯（xīn）片（piàn）對水質監測節點軟硬件各個模塊（kuài）進行了設計，以實（shí）現多功能水質監測與采（cǎi）集、ZigBee網絡傳輸及監（jiān）測數據收發幾部分功能，為同類型的無線傳感網絡環境監測產品提供了可兼容的節點平台。

2 水質（zhì）自動監測節點設計需求

本文（wén）提出（chū）的（de）水（shuǐ）質自動監測節點主要應用於建立野外大範（fàn）圍（wéi）、具有自組網絡、動態（tài）拓撲、多跳傳（chuán）輸和自修（xiū）複功能的ZigBee無線水質自動監測傳感網絡，如圖1所示。

圖（tú）1 ZigBee無線（xiàn）水（shuǐ）質自動（dòng）監測傳感（gǎn）網絡示意圖

水質自（zì）動監測網絡節（jiē）點將（jiāng）采集到的水質監測數據通過（guò）增強型ZigBee接收（shōu）轉換器傳輸（shū）到近（jìn）端的監測基站或遠端的水質監控中心後，將由監測管理計算機負責（zé）對數據進行數據整理、數據分析比較與數（shù）據存儲工作，數據分析過程中發現異常數據將會發出報警信號，提示操（cāo）作人員注意對應區域的環境異常，實現遠程實時（shí）監（jiān）測。

各水質自動監測無線傳感網絡節點單元根據水質監（jiān）測要求，可安裝在（zài）河流、水庫（kù）、工業廢水排汙口等指定地點，以野外無人值守方式工作，通過水質監測傳感器采集含（hán）氧量、混濁度、COD、BOD、pH值等數據（jù）信息，通過無線通訊網絡上傳到上（shàng）級監（jiān）測站進行處理。建立一個可以組合不同的水質監測傳感器，形成針對（duì）不同測試環境（jìng）可任意組合的多功能水質自動監測無線（xiàn）傳感網（wǎng）絡節點平台，設（shè）計需求如下：

1）多種指標監測（cè）：依據各（gè）行業廢水汙染源主要（yào）在線監測指標可知，對不同的區域實施監測，所需要測量的水質指標（biāo）不同，通常需要（yào）同時（shí）監測多種（zhǒng）水質（zhì）指標，並要求根據不（bú）同測試環境選擇選擇不同的傳感器組合配置；

2）節點電源模式：由於監測網（wǎng）絡節點安裝（zhuāng）在戶外，節點分布較散，隻能采（cǎi）用內部電（diàn）源供電，為延長（zhǎng）內部（bù）電源的工作周期（qī），監測網絡節點（diǎn）必須具備（bèi）節能工（gōng）作的功能；

3）多拓撲多節點無線通訊：對某片水域的水質監測需要在目（mù）標流域內（nèi）布置大量監測無線網絡（luò）節點，各節（jiē）點將采集（jí）到的水質監測數據傳送到中央控製（zhì）係統，完成目標流域的數據采集。節點的空間分布在不同的監測（cè）環境中差異（yì）較大，例如對水庫湖泊環境的（de）監測，需要將大量監測節點在水域內均勻分布，對江河流（liú）域水質的監測，需要（yào）將大量監測（cè）節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（jiē）點可實現多（duō）種拓撲結構連接，並實現多節點通訊的功能；

4）設備成本：由於監測（cè）無線網絡（luò）的布網（wǎng）需要大量監（jiān）測網絡節點，因此（cǐ）應考慮成本問題，盡可能精簡設計，降低單個節點的成本。

3 水質自動監測無線（xiàn）網絡節點（diǎn）設計

3.1 水質（zhì）監測節點總體設計

水質自動監測（cè）無線傳感網絡節點的核心模塊由主控（kòng）MCU MSP430和ZigBee通訊（xùn）模塊組成，主控芯片外圍連接（jiē）若幹種針對不同監測項（xiàng）目的水質（zhì）監測（cè）傳感器，通過不同水質監測傳感器的組合形成針對不（bú）同測試環境可任意組（zǔ）合的多（duō）功能水質監測無線傳感網絡節點；ZigBee網絡管（guǎn）理和數據收發（fā）主要由CM210模塊負責，利用Z-Stack協議（yì）棧的API接口，模塊實現了ZigBee無線網絡的動（dòng）態組網、網絡自恢複（fù）、數據發送和數據接（jiē）收等任務（wù）；水質監測傳感器模塊的接口按照（zhào）標準的工業通（tōng）訊接口設計，保證設計的標準化和平台化，具（jù）有良好的可擴展性。水質自動監測無線傳感網絡節點框圖如圖2所示。

圖2 水質自動（dòng）監測無線傳感網絡節點（diǎn）框圖

3.2 水質監測節點硬件設計

3.2.1 主控MCU

水質自動監測節點（diǎn）中主控MCU的（de）選擇是至關重要的，本設計中，監（jiān）測網絡節（jiē）點核心模塊的主控芯片選（xuǎn）用16位單片機MSP430F147。 MSP430係列單片機具有強大的處（chù）理能（néng）力和（hé）超低功耗（hào）的特點，尤其適用於使用電池供電（diàn），要求長時間工作的場合（hé）。本設計（jì）方案在MSP430單（dān）片機最小係統的基礎上，通過8通道ADC、RS422總（zǒng）線接口和I²C總線接口分別實（shí）現傳感器輸出的（de）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（fù）責控製傳感器模塊的電源，在采集停止或長期休眠狀態（tài）下關閉傳感器模塊電源，減小係統的電流消耗；通過UART接口與ZigBee模塊通訊，負責監測數據的無線發（fā）送與命令接收。

3.2.2 ZigBee通訊模塊

ZigBee無線（xiàn）通訊（xùn）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適用於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製器可關閉芯片部（bù）分內部時鍾和（hé）射頻模塊的電源，使芯片進入不同程（chéng）度的（de）低功耗模式，並且可以在各種低功耗模式（shì）間（jiān）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（gōng）作。CM210在應用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對CM210進（jìn）行ZigBee數據傳輸的（de）編程（chéng）時，利用Basic RF層提供的通訊API函數，可以極為便捷地實現用戶的程序工作量，無需進行硬件抽象層的各種繁雜（zá）設置和狀態處理。

3.2.3 傳感（gǎn）器接口模（mó）塊

水質自動監測節點的傳感器模塊接口按照標準的工業通訊接口設計，保證係統的標準化和平台化，具有（yǒu）良好的可擴展性。監控節點傳感器接口結構如圖3所示。針對模擬接口傳感器，主控（kòng）模塊為傳感器預留了8通道AD接口，可（kě）以連接8路4-20mA、1-5V的模（mó）擬（nǐ）接口傳感器；針（zhēn）對數字（zì）接口傳感器，主控模塊設計了RS422總線接口和I2C總線接口（kǒu），以後還可以利用MSP430的剩餘資源擴展（zhǎn）出SPI接口，總線接口（kǒu）可以連接多（duō）個傳感器。

圖3 水質監控節點傳感（gǎn）器接口

出於低功耗設計的考慮，加入傳感器模塊的電源控（kòng）製電路，通過I/O口控製MOS開（kāi）關管，在係統休眠時（shí）切斷傳（chuán）感器電源輸出，以減小低功耗模式下的係統電流損耗，延長設備（bèi）工（gōng）作時間。當節點進入監測狀態時啟（qǐ）動傳感器模塊電源，上電保持10秒後開始（shǐ）采集數據並發送，采集（jí）完成後通過MOS管切斷（duàn）傳感器供電，MSP430與CM210再次進入（rù）休（xiū）眠狀態。

3.2.4 電源模塊

結合水質自（zì）動（dòng）監測（cè）無線網絡節（jiē）點電（diàn）源係統要求低功耗、長時間工作、低成本的特點，節點電（diàn）源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615。相比鉛酸蓄電池的能量比小（xiǎo），重量大，對環境腐蝕性強，電解液需要定期維護，以及太陽能電（diàn）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、工作溫度範圍廣等特點。在本設計中，節點核（hé）心模塊CM210和ZigBee采（cǎi）用低功耗設計，在節點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成後進入節能模式，可大幅度降低係統的能量損耗，配合高能量（liàng）密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且可以有效降低節點的體積和重量。

3.3 水質監測節點軟件設計

基於無線傳感網絡的監測節點主要利用（yòng）MCU MSP430和ZigBee通訊模塊CM210負（fù）責信息的采（cǎi）集（jí）控製與無線網絡傳輸。MSP430負責采集節點上各個水質監測傳感器的數據並對每（měi）個數據進行測量值到理化值的數據轉換（huàn），將計算結果進行粗比對，判斷是否有數（shù）據超標（biāo），有則先向監測基站發送相應（yīng）的警報命令，再按一（yī）定格式打包，通（tōng）過UART接口發送到ZigBee模塊進行傳輸；ZigBee模塊由監測基站或遠端監控中心發送初（chū）始化自組網（wǎng）命令和自恢複命令，實現（xiàn）初始組網與自動檢測恢複（fù），負責網絡組網與連（lián）接（jiē）。軟件工作流程見圖（tú）4。

圖4 節點軟件流程（chéng）圖

在調試模式下對當（dāng）前節點（diǎn）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（gǎn）器精度進行標校，將數據轉（zhuǎn）換公（gōng）式及標校參數存儲到（dào）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（xùn）與工作是否正常。

另外，MSP430會將當（dāng）前節點上各個輸（shū）入傳（chuán）感器的（de）類型、數據轉換公式和標校參數存（cún）儲在片內Flash，例如接口1為pH值監測傳感（gǎn）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（zhuó）度監測傳感器（qì），SensorType[1]=0x0d；這些（xiē）寄存器值在程序中預（yù）先定義並在（zài）節點配置時根據實際（jì）連接情況設（shè）置。處理程（chéng）序根據SenserType的設定值為每個傳感器輸入數據選擇相對應的（de）轉換公（gōng）式（shì）進行處理。轉換公式的參數，即傳感器的標校（xiào）參數，在調試狀態下進行逐一標定並存儲，以使每路傳感器的采（cǎi）集精度達到設計要（yào）求（qiú）。

4 性能分析和總結

本文將無線傳（chuán）感網絡與水質監測相結合，利用ZigBee無線傳感網（wǎng）絡實現自組網與通訊，而使水質監測節點可（kě）以大（dà）範（fàn）圍鋪（pù）設，實現了對水質監測的遠程實時掌控。CM210的低功耗設置，使節（jiē）點（diǎn）工（gōng）作時間有效（xiào）延長。本（běn）設計（jì）采用增強型ZigBee模塊（kuài），增加了射頻發射功率，保證了節點（diǎn）間通（tōng）訊距離達到3公裏（lǐ），滿（mǎn）足野外大範圍組網的需求。但（dàn）是當數據節點間隔（gé）較（jiào）遠且節點到定位點之間需要經過多跳路（lù）由時，不能保證定位精度，如果需要獲取精確的節點位（wèi）置信息，還需要通（tōng）過GPS設備，建立基於GIS的水（shuǐ）質監測分析管理數據係統（tǒng）。