才通信基于ZigBee水質(zhì)自動監(jiān)測無線傳感方案
根據(jù)現(xiàn)階段對水質(zhì)自動監(jiān)測無線網(wǎng)絡節(jié)點的功能要求，搭建了一個水質(zhì)自動監(jiān)測無線網(wǎng)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(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)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(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)具有及時、準確、有效的特點，近年來，在許多國家地表水質(zhì)監(jiān)測中得到了廣泛的應用。本文針對地表水質(zhì)自動監(jiān)測問題，提出了水質(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計方案，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡和MSP430主控芯片對水質(zhì)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(zhì)監(jiān)測與采集、ZigBee網(wǎng)絡傳輸及監(jiān)測數(shù)據(jù)收發(fā)幾部分功能，為同類型的無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品提供了可兼容的節(jié)點平臺。
2 水質(zhì)自動監(jiān)測節(jié)點設計需求
本文提出的水質(zhì)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(wǎng)絡、動態(tài)拓撲、多跳傳輸和自修復功能的ZigBee無線水質(zhì)自動監(jiān)測傳感網(wǎng)絡，如圖1所示。
圖1 ZigBee無線水質(zhì)自動監(jiān)測傳感網(wǎng)絡示意圖
水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點將采集到的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過增強型ZigBee接收轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)浇说谋O(jiān)測基站或遠端的水質(zhì)監(jiān)控中心后，將由監(jiān)測管理計算機負責對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析比較與數(shù)據(jù)存儲工作，數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)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(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點單元根據(jù)水質(zhì)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(zhì)監(jiān)測傳感器采集含氧量、混濁度、COD、BOD、pH值等數(shù)據(jù)信息，通過無線通訊網(wǎng)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(zhì)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(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點平臺，設計需求如下：
1）多種指標監(jiān)測：依據(jù)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?qū)嵤┍O(jiān)測，所需要測量的水質(zhì)指標不同，通常需要同時監(jiān)測多種水質(zhì)指標，并要求根據(jù)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(wǎng)絡節(jié)點安裝在戶外，節(jié)點分布較散，只能采用內(nèi)部電源供電，為延長內(nèi)部電源的工作周期，監(jiān)測網(wǎng)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(zhì)監(jiān)測需要在目標流域內(nèi)布置大量監(jiān)測無線網(wǎng)絡節(jié)點，各節(jié)點將采集到的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到*控制系統(tǒng)，完成目標流域的數(shù)據(jù)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(nèi)均勻分布，對江河流域水質(zhì)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(jié)構(gòu)。因此要求監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點可實現(xiàn)多種拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡的布網(wǎng)需要大量監(jiān)測網(wǎng)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(zhì)自動監(jiān)測無線網(wǎng)絡節(jié)點設計
3.1 水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點總體設計
水質(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)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(zhì)監(jiān)測傳感器，通過不同水質(zhì)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(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點；ZigBee網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的動態(tài)組網(wǎng)、網(wǎng)絡自恢復、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等任務；水質(zhì)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(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點框圖如圖2所示。
圖2 水質(zhì)自動監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點框圖
3.2 水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點硬件設計
3.2.1 主控MCU
水質(zhì)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(wǎng)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(shù)據(jù)采集和I2C數(shù)據(jù)采集；通過 I/O口驅(qū)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(shù)據(jù)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(nèi)部的電源管理控制器可關閉芯片部分內(nèi)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(nèi)核通過芯片中設置的RF指令集處理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊虝r，利用Basic RF層提供的通訊API函數(shù)，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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)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(shù)據(jù)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(jié)合水質(zhì)自動監(jiān)測無線網(wǎng)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(shù)據(jù)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(zhì)監(jiān)測節(jié)點軟件設計
基于無線傳感網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸。MSP430負責采集節(jié)點上各個水質(zhì)監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)并對每個數(shù)據(jù)進行測量值到理化值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將計算結(jié)果進行粗比對，判斷是否有數(shù)據(jù)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(wǎng)命令和自恢復命令，實現(xiàn)初始組網(wǎng)與自動檢測恢復，負責網(wǎng)絡組網(wǎng)與連接。軟件工作流程見圖4。
圖4 節(jié)點軟件流程圖
在調(diào)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(nèi)FLASH；在調(diào)試模式下對傳感器精度進行標校，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式及標校參數(shù)存儲到片內(nèi)FLASH；在模塊初始化時讀取外部模塊初始數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式和標校參數(shù)存儲在片內(nèi)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(jù)實際連接情況設置。處理程序根據(jù)SenserType的設定值為每個傳感器輸入數(shù)據(jù)選擇相對應的轉(zhuǎn)換公式進行處理。轉(zhuǎn)換公式的參數(shù)，即傳感器的標校參數(shù)，在調(diào)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(jié)
本文將無線傳感網(wǎng)絡與水質(zhì)監(jiān)測相結(jié)合，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)自組網(wǎng)與通訊，而使水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點可以大范圍鋪設，實現(xiàn)了對水質(zhì)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(wǎng)的需求。但是當數(shù)據(jù)節(jié)點間隔較遠且節(jié)點到定位點之間需要經(jīng)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(zhì)監(jiān)測分析管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
