一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的污水遠程監測系統設計

　　摘要：針對目前工業(yè)污水監測中數據采集難度大、實(shí)時(shí)性不強等問(wèn)題，研究并設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的污水遠程監測系統。系統以ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)為基礎，搭建起無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了污水數據的自動(dòng)采集及遠距離傳輸。實(shí)驗測試表明，系統傳輸速率快，實(shí)時(shí)性強，穩定性高，可以有效地對工業(yè)污水進(jìn)行遠程監測。

　　0 引言

　　隨著(zhù)我國工業(yè)生產(chǎn)能力的迅猛發(fā)展，工業(yè)污水的排放量曰益增加，達不到排放標準的污水排入水體后，將對地表及地下水造成巨大的污染，因此對污水進(jìn)行實(shí)時(shí)而準確的監測就顯得尤為重要。目前我國的工業(yè)污水監測手段仍主要停留在手工測量階段，效率低下、數據采集難度大、污水監測缺乏實(shí)效性，對后續的污水處理帶來(lái)諸多不便。部分企業(yè)以及廠(chǎng)家雖然己采用了有線(xiàn)污水監控系統，但是由于污水源眾多且分布較零散，采用有線(xiàn)的監測方式無(wú)論在成本上還是系統的可靠性上都難以達到理想的效果。

　　基于這些問(wèn)題，本文設計了一種新型的基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)污水遠程監測系統。系統利用ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)搭建起數據遠程無(wú)線(xiàn)傳輸平臺，實(shí)現了污水信息的遠距離、自動(dòng)化監測與傳輸，有效解決了污水監測的實(shí)時(shí)性與可靠性問(wèn)題，具有很高的推廣應用價(jià)值。

　　1 工業(yè)污水遠程監測系統設計方案

　　系統設計的思想是用監測傳感器和ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，使數據可以在此網(wǎng)絡(luò )中快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行傳輸。

　　系統主要由4部分組成：數據采集終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)、監控中心，其結構如圖1所示。其中，數據采集終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，負責信息的采集與傳輸，最終將信息發(fā)送給監控中心，使監控人員能及時(shí)獲得污水信息，做出下一步的處理。

　　數據采集終端節點(diǎn)主要負責污水數據的采集、處理和發(fā)送;路由節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)主要負責組建無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )、管理節點(diǎn)的加入和離開(kāi)，當現有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)重新尋找通信節點(diǎn)，對原有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行刷新以組建新的網(wǎng)絡(luò )，并把終端節點(diǎn)采集的數據傳送到監控中心。

　　1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是本系統的核心，其組網(wǎng)靈活方便、傳輸速度快、兼容性強，且成本不高。網(wǎng)絡(luò )基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行組建，由分布在各污水監測點(diǎn)的數據采集終端組成，每一處監測點(diǎn)均放置一個(gè)數據采集終端。數據采集終端由PH傳感器、溶解氧傳感器和Zig Bee模塊組成。數據采集終端主要負責污水信息的實(shí)時(shí)采集，各監測點(diǎn)采集到的污水信息經(jīng)Atmega16單片機處理后，由ZigBee模塊打包成通信協(xié)議包，通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳至協(xié)調器節點(diǎn)，并最終將信息上傳至監控中心，予以實(shí)時(shí)監測。

　　1.2 協(xié)調器節點(diǎn)

　　協(xié)調器節點(diǎn)作為信息匯聚節點(diǎn)，主要負責將每個(gè)數據采集終端節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行匯總，利用TCP/IP協(xié)議，將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的方式發(fā)送給監控中心。本文中，協(xié)調器節點(diǎn)通過(guò)串口通信方式連接監控中心的上位機PC。

　　1.3 監控中心

　　監控中心通常設置在企業(yè)或者工廠(chǎng)的調度室里，距離污水監測點(diǎn)較遠，主要對由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的污水數據進(jìn)行分析處理、實(shí)時(shí)監控，確定各污水監測點(diǎn)的污水指標，進(jìn)而通知有關(guān)人員采取相應的處理措施。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 數據采集終端節點(diǎn)硬件設計

　　數據采集終端節點(diǎn)是監測系統的重要組成部分，一般而言，由監測傳感器、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器、單片機和電源模塊組成。為使污水監測更加精確可靠，應將數據采集終端節點(diǎn)分散布置在各污水監測區域。

　　本設計選用的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器模塊為T(mén)I公司生產(chǎn)的片上系統解決方案CC2530芯片。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE協(xié)議，支持可編程閃存，集成了增強型8051CPU、32/64/128/256KB閃存、8 KB RAM、RF收發(fā)器等高性能模塊，使得其尤其適應超低功耗要求的系統。

　　選用Atmega16單片機作為數據采集終端節點(diǎn)的核心器件。Atmega16是一種基于增強RISC結構、CMOS技術(shù)的低功耗8位微控制器，其價(jià)格較低、運行速度快、數據吞吐率高，能有效滿(mǎn)足污水數據實(shí)時(shí)處理的需要。

　　本設計用于采集污水污染指標的監測傳感器分為PH值傳感器和溶解氧傳感器。首先，各污水監測點(diǎn)傳感器將采集到的水的PH值、溶解氧等指標進(jìn)行分析處理，然后將數據發(fā)送給Atmega16單片機，待Atmega16單片機對數據做進(jìn)一步處理后，將此數據以及網(wǎng)絡(luò )地址、MAC地址通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊經(jīng)網(wǎng)絡(luò )路由節點(diǎn)一并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)。

　　電源模塊方面，數據采集終端節點(diǎn)采用7.2V可充電鋰電池，通過(guò)高轉換效率的LDO對各器件供電。ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的功耗較低，經(jīng)測試，電池充一次電，可穩定供電3個(gè)月。

　　數據采集終端節點(diǎn)硬件結構圖如圖2所示。

　　2.2 協(xié)調器節點(diǎn)電路設計

　　網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心，負責網(wǎng)絡(luò )的組建和管理，維護網(wǎng)絡(luò )的正常運行，給新入節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址。它的核心是以CC2530為處理器的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊。

　　協(xié)調器節點(diǎn)的電路如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是監測系統的核心，因此，其軟件部分的設計也是系統軟件設計的核心，主要包括數據采集終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)三部分的軟件設計。

　　3.1 數據采集終端節點(diǎn)的軟件設計

　　數據采集終端節點(diǎn)上電后，ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊首先初始化，然后監聽(tīng)默認信道，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )搜索。當搜索到網(wǎng)絡(luò )后，發(fā)出入網(wǎng)請求，待協(xié)調器節點(diǎn)收到請求，給其分配網(wǎng)絡(luò )地址，即入網(wǎng)成功。入網(wǎng)后，查詢(xún)是否有網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的指令需要接收，若有，則對指令進(jìn)行處理，否則，直接開(kāi)啟中斷，執行發(fā)送準備工作，準備工作結束后對數據按格式要求進(jìn)行封裝、發(fā)送。發(fā)送完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待喚醒。其工作流程如圖4所示。