基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)污水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 摘要：針對目前工業(yè)污水監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集難度大、實(shí)時性不強(qiáng)等問題，研究并設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以ZigBee無線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建起無線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了污水?dāng)?shù)據(jù)的自動采集及遠(yuǎn)距離傳輸。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)傳輸速率快，實(shí)時性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，可以有效地對工業(yè)污水進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

0 引言

隨著我國工業(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(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)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)時而準(zhǔn)確的監(jiān)測就顯得尤為重要。目前我國的工業(yè)污水監(jiān)測手段仍主要停留在手工測量階段，效率低下、數(shù)據(jù)采集難度大、污水監(jiān)測缺乏實(shí)效性，對后續(xù)的污水處理帶來諸多不便。部分企業(yè)以及廠家雖然己采用了有線污水監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于污水源眾多且分布較零散，采用有線的監(jiān)測方式無論在成本上還是系統(tǒng)的可靠性上都難以達(dá)到理想的效果。

基于這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)污水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用ZigBee無線通訊技術(shù)搭建起數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸平臺，實(shí)現(xiàn)了污水信息的遠(yuǎn)距離、自動化監(jiān)測與傳輸，有效解決了污水監(jiān)測的實(shí)時性與可靠性問題，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

1 工業(yè)污水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想是用監(jiān)測傳感器和ZigBee無線模塊組成一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)可以在此網(wǎng)絡(luò)中快速實(shí)時地進(jìn)行傳輸。

系統(tǒng)主要由4部分組成：數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)信息的采集與傳輸，最終將信息發(fā)送給監(jiān)控中心，使監(jiān)控人員能及時獲得污水信息，做出下一步的處理。

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)污水?dāng)?shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送;路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)組建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)的加入和離開，當(dāng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時，可以通過重新尋找通信節(jié)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(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。

1.1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)的核心，其組網(wǎng)靈活方便、傳輸速度快、兼容性強(qiáng)，且成本不高。網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行組建，由分布在各污水監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端組成，每一處監(jiān)測點(diǎn)均放置一個數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端由PH傳感器、溶解氧傳感器和Zig Bee模塊組成。數(shù)據(jù)采集終端主要負(fù)責(zé)污水信息的實(shí)時采集，各監(jiān)測點(diǎn)采集到的污水信息經(jīng)Atmega16單片機(jī)處理后，由ZigBee模塊打包成通信協(xié)議包，通過TCP/IP協(xié)議傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并最終將信息上傳至監(jiān)控中心，予以實(shí)時監(jiān)測。

1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為信息匯聚節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將每個數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，利用TCP/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過無線或有線的方式發(fā)送給監(jiān)控中心。本文中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口通信方式連接監(jiān)控中心的上位機(jī)PC。

1.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心通常設(shè)置在企業(yè)或者工廠的調(diào)度室里，距離污水監(jiān)測點(diǎn)較遠(yuǎn)，主要對由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的污水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、實(shí)時監(jiān)控，確定各污水監(jiān)測點(diǎn)的污水指標(biāo)，進(jìn)而通知有關(guān)人員采取相應(yīng)的處理措施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，一般而言，由監(jiān)測傳感器、ZigBee無線傳感器、單片機(jī)和電源模塊組成。為使污水監(jiān)測更加精確可靠，應(yīng)將數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)分散布置在各污水監(jiān)測區(qū)域。

本設(shè)計(jì)選用的ZigBee無線傳感器模塊為TI公司生產(chǎn)的片上系統(tǒng)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(qiáng)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(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

選用Atmega16單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的核心器件。Atmega16是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)、CMOS技術(shù)的低功耗8位微控制器，其價格較低、運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)吞吐率高，能有效滿足污水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時處理的需要。

本設(shè)計(jì)用于采集污水污染指標(biāo)的監(jiān)測傳感器分為PH值傳感器和溶解氧傳感器。首先，各污水監(jiān)測點(diǎn)傳感器將采集到的水的PH值、溶解氧等指標(biāo)進(jìn)行分析處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給Atmega16單片機(jī)，待Atmega16單片機(jī)對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理后，將此數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址通過ZigBee無線通信模塊經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)一并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

電源模塊方面，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)采用7.2V可充電鋰電池，通過高轉(zhuǎn)換效率的LDO對各器件供電。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的功耗較低，經(jīng)測試，電池充一次電，可穩(wěn)定供電3個月。

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和管理，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，給新入節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。它的核心是以CC2530為處理器的ZigBee無線通信模塊。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，因此，其軟件部分的設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，主要包括數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三部分的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)上電后，ZigBee無線模塊首先初始化，然后監(jiān)聽默認(rèn)信道，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索。當(dāng)搜索到網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出入網(wǎng)請求，待協(xié)調(diào)器節(jié)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，查詢是否有網(wǎng)關(guān)發(fā)來的指令需要接收，若有，則對指令進(jìn)行處理，否則，直接開啟中斷，執(zhí)行發(fā)送準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備工作結(jié)束后對數(shù)據(jù)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。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在正常工作前，要首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括I/O接口、外設(shè)等硬件初始化和ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、MAC層等協(xié)議棧初始化。本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要用做兩方面功能：一是充當(dāng)協(xié)調(diào)器，二是充當(dāng)路由器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是組建網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)的加入和離開、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。其工作流程如圖5所示。

3.3 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，每一個節(jié)點(diǎn)都具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，其組網(wǎng)方式主要有星型、簇型、網(wǎng)型三種。本文里，我們采用簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上位機(jī)是監(jiān)控中心工作人員獲得現(xiàn)場污水指標(biāo)的主要媒介。采用Labview開發(fā)了上位機(jī)圖形界面，提供了良好的人機(jī)交互界面。

上位機(jī)界面主要包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、信息反饋、數(shù)據(jù)通信等功能。其中數(shù)據(jù)顯示主要用于實(shí)時顯示污水PH值、溶解氧等參數(shù)。

系統(tǒng)上電后，在上位機(jī)界面點(diǎn)擊啟動網(wǎng)絡(luò)按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)入自組網(wǎng)功能，和數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)連接，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并通過RS232串口傳至上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并顯示數(shù)據(jù)。

選取某一具體污水區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，例如，選取某城市大東區(qū)的污水排放區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，共布置5組數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)，所得監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

基于此，工作人員就能方便及時地掌握污水區(qū)域的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對污水指標(biāo)的全天候不間斷監(jiān)控，也便于去及時解決發(fā)現(xiàn)的問題。

5 結(jié)論

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，利用其構(gòu)建工業(yè)污水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能大大降低整個系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的靈活性和智能化。基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)污水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)有著廣泛的市場空間，對加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)有著重要意義。