水质参数监测无线传感网汇聚节点设计

鲍玉军， 张 兵， 丁国梁

(常州工学院 电子信息与电气工程学院， 江苏 常州 213002)



水质参数监测无线传感网汇聚节点设计

鲍玉军*， 张 兵， 丁国梁

(常州工学院 电子信息与电气工程学院， 江苏 常州 213002)

针对生活及工农业生产用水的安全性、可靠性等要求，需要对水质参数进行有效、实时监测.设计一种新型的集传感器、数据采集及处理、无线通信等技术于一体的水质参数WSN(无线传感网)汇聚节点.采用性能优异的Zigbee芯片CC2530完成所采集的水质参数A/D转换及WSN节点间数据通信；并使用性能优异的ARM7内核的S3C44B0X微处理器对采集的数据做进一步分析处理，通过控制GPRS模块完成数据远程传输.该汇聚节点使用太阳面板发电并对蓄电池充电的设计，解决系统独立能源供应问题，其能源转换控制由S3C44B0X完成；通过移植μC/OS-Ⅱ至S3C44B0X管理汇聚节点的运行.研究结果表明该WSN汇聚节点可长期有效用于野外各种水质参数的监测，性能稳定可靠.

WSN; 汇聚节点; 太阳能；ARM7核

水质参数的监测，在工、农业生产及生活用水中占有举足轻重地位.为保证生活安全用水，及水产养殖用水的可靠性，需要对水资源的各种水质参数进行长期有效监控.长期以来，环保部门及水产养殖部门主要通过设置多个监测点进行水样数据采集，再进行实验室内的各种分析，其数据采集的延迟性及数据的片面性不能及时反映水资源的动态状况.在水产养殖水质监测方面，国内部分养殖场已经开始使用“WSN(无线传感网)监测水质”代替“传统人工取样测量”或“相对较先进的基于现场总线的有线无人值守测量”.但因国内无线水质监测技术起步较晚，自动化水平总体较低，尚处于起步阶段.针对这种状况，研究、设计一种能适应我国国情的基于WSN水质参数监测系统具有重大意义.

WSN是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络.目前已经广泛地用于军事、救灾、环境监测、医疗、农情监测、保健、智能家居、工业、商业等多个领域.WSN能够对被监测区域进行长期实时监测，并实现对被测目标的跟踪，具备迅速开展、低功耗、抗干扰强等多种优点[1].

1 基于WSN的水质参数监测系统

基于WSN的水质参数监测系统如图1所示，整个系统分为3层：感知层、网络层和管理层.感知层包括监测水质参数所需的各种传感器(如溶解氧传感器、PH值传感器、温度传感器等)，这些传感器包含在每一个WSN传感器节点中；网络层涉及到多个传感器节点之间及传感器节点与汇聚节点之间的无线数据通信.WSN中汇聚节点除了包含普通传感器节点所有功能之外，还要承担监测区域WSN内的重要数据处理任务，以及通过GPRS通信方式与管理层之间进行远程数据通信任务；在管理层，用户可借助于手机、PC机等网络终端登录服务器中数据监控平台，以实时了解被监测区域内的水质情况.

基于WSN的水质监测系统多部署于野外，系统长时间能源供应问题比较突出，此外数据通信环境较为恶劣，必须采取一定措施保障数据通信的可靠性.论文提出一种适应于水质参数监测的WSN汇聚节点设计，包括基于Zigbee芯片CC2530的水质参数数据采集及WSN无线数据通信模块的设计，考虑到CC2530自身51内核处理能力的有限性，利用ARM7核微处理器S3C44B0X对所采集的数据作进一步分析、处理；设计了基于S3C44B0X的太阳能供电装置.作为汇聚节点，利用S3C44B0X控制GPRS模块的方式，实现WSN数据的远程传输[2].

图1 基于WSN的水质参数测量系统Fig.1 Monitoring system of water-quality-parameters based on WSN

2 用于水质参数监测的WSN汇聚节点设计

用于水质参数监测的WSN汇聚节点结构如图2所示.CC2530是TI公司近几年推出的新一代Zigbee片上芯片.它内嵌标准的8051微处理器内核，完全兼容IEEE802.15.4协议标准，内部集成了包括存储器(RAM和ROM)、A/D转换器、SPI通信总线及无线射频模块等在内的多种功能模块，这在实际应用中能简化硬件设计，且最大程度地实现低功耗无线通信[3-4].

普通传感器节点，依靠CC2530内部的A/D转换器，将传感器所采集到的各种水质参数进行A/D转换并进行初步处理，再将之通过内置Zigbee射频模块进行传感器节点之间通信.作为汇聚节点，考虑到CC2530有限处理能力，额外增加了ARM7核微处理器S3C44B0X用于对WSN数据作进一步处理，通过控制GPRS模块(MC39i)以实现WSN内监测数据的远程传输.考虑到节点实际应用环境，采取太阳能发电并对蓄电池充电的方式对整个节点进行能源供应，光伏充电控制由S3C44B0X完成，安全、可靠.

2.1 采用太阳能供电的系统能源转换装置设计

图3 太阳能电源控制器结构图Fig.3 Structure of power controller designed for solar energy’s application

为了有效地了解及控制太阳能电池板及蓄电池工作状态，采用2组闭环霍尔电流传感器CHB-50SE(取样电阻RM为50 Ω，则电阻上5 V电压对应“输入50 A，输出100 mA”)和霍尔电压传感器CHV-50P(输出1 V对应输入10 V)分别对太阳能电池板输出电压、电流和蓄电池的输出电压、充电电流等四部分参数采样，并由S3C44B0X微处理器对采样数据进行处理.考虑到四路采样信号几乎都是直流信号且变化缓慢，故直接采用S3C44B0X的内置的四路十位A/D转换器(AD0-AD3)进行数据转换，可节约硬件成本.图中的光电耦合器6N137主要用于隔离S3C44B0X所输出的控制信号，以驱动功率开关器件T1，提高系统的抗干扰能力及稳定性.

2.2 汇聚节点GPRS通信模块接口设计

S3C44B0X与GPRS无线通讯模块MC39i的接线如图4所示.MC39i包含9针头的标准RS232接口，与S3C44B0X之间的数据通信采用SP3232芯片进行电平转换.SP3232与S3C44B0X的串口相连实现全双工通信.在MC39i发送数据之前，用PPP协议先将MC39i模块接入Internet.在TCP/IP协议中，PPP属于数据链路层，用于在两个对等网络终端之间传输数据分组.具体操作为：使用LCP(可扩展链路控制协议)建立数据链路，并对之进行配置和测试；再用NCP(网络控制协议)创建、设置不同网络层协议.在汇聚节点首次上电启动初始化之后，便对MC39i模块进行包含工作频率等参数在内的各种设置，随后开始拨号与移动基站之间进行PPP协商，在获得移动商提供的本地IP地址之后，便完成了GPRS模块接入Internet的操作.

图4 GPRS控制模块Fig.4 Controlling module of GPRS

在MC39i模块拨号成功并接入Internet之后，S3C44B0X采用“AT指令”对MC39i进行控制.在通信上行端，S3C44B0X即可通过串行口控制MC39i模块进行无线数据远程传输.S3C44B0X将汇聚节点需要远程传递的数据首先进行TCP/IP协议格式处理(得到IP格式数据报)，再通过串行口对MC39i模块进行控制以将IP数据报转换为GPRS数据分组格式并上传至GPRS网络.在通信下行端，则按照层层解数据包的操作得到IP数据报，再由系统对之处理获得应用数据.GPRS拨号上网过程以及PPP协商过程如图5所示[5].

图5 GPRS模块拨号上网及PPP协商流程Fig.5 Process of GPRS module’s dialing up access and negotiation of PPP

3 嵌入式TCP/IP协议实现及μC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植

TCP/IP协议簇包含4层，每层均含多种复杂、庞大的网络协议.考虑到该WSN汇聚节点主要用于基本的数据远程传输，故在S3C44B0X中对TCP/IP协议簇采取裁剪式的实现，保留核心、基本协议(主要包括PPP、ARP、UDP、TCP及IP等)[6]，具体以“能应用”为目标，其裁剪之后的TCP/IP协议如表1所示.

表1 标准TCP/IP协议裁剪前后的主要差异Tab.1 Main differences between standard TCP/IP and the simplified form

在微处理器上移植嵌入式操作系统管理整个系统的运行已经成为嵌入式系统发展的趋势，CC2530内置8051微处理器，但考虑到其处理能力有限，无法同时胜任WSN汇聚节点除了数据采集、转换及节点之间无线射频通信任务之外的WSN数据分析、TCP/IP协议实现及对GPRS模块操作任务.采用在S3C44B0X上移植μC/OS-Ⅱ管理WSN汇聚节点“上下位机(S3C44B0X与CC2530)通信”，能使节点有良好的实时性和可靠性.

针对S3C44B0X的处理器结构特点，利用汇编编写一些代码，使μC/OS-Ⅱ能对S3C44B0X微处理器相关寄存器进行操作.具体包括：与编译器无关的数据类型定义、堆栈数据类型及其增长方向定义包含在OS_CPU.H文件中；μC/OS-Ⅱ任务堆栈初始化代码则包含在OS_CPU_C.C文件中；而系统时钟中断和任务切换函数等操作系统核心代码则是采用汇编语言编写并包含于OS_CPU_A.S文件[7].

4 结论

在国内外，关于水质的监测始终是研究热点之一.目前已提出包括生物学测量在内的多种监测方法.为确保生活安全用水及工农业生产用水的质量，依靠无线传感网的突出优势，在被监测水域设置多个传感器节点进行无人值守监测，利用节点之间WSN通信传输数据，并由WSN内汇聚节点对数据进行融合、处理，并远程传输至服务器.用户可借助PC机、手机等在内的多种网络终端登录监控平台，以实时了解被监测水质情况.

论文主要设计了一种能适应水质监测的WSN汇聚节点，重点对其硬件结构设计进行了介绍.考虑到节点实际的工作环境特殊性，采取太阳能发电并对蓄电池充电的模式提供系统所需的各种电源，解决了WSN中最为重要的功耗问题(直接关系节点运行的生命周期).研究结果表明该WSN汇聚节点可长期、有效地用于野外各种水质参数的监测，性能稳定可靠.同时，该汇聚节点设计方法对其他使用WSN进行监测的场合同样有较大的指导意义.

[1] 余小华， 陈 瑛. 一种改进的WSN拥塞检测和控制机制[J].华中师范大学学报：自然科学版， 2011， 45(02):199-203．

[2] Jiang J， Lin T， Yang E. Application of a web-based remote agro-ecologicalmonitoring system for observing spatial distribution and dynamics of Bactrocera dorsalis in fruit orchards[J]. Precision Agriculture， 2013， 14: 323-342．

[3] 李新慧， 俞阿龙， 潘 苗. 基于CC2530的水产养殖监控系统的设计[J].传感器与微系统， 2013， 32(03):85-88．

[4] 陈克涛， 张海辉， 张永猛. 基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报：自然科学版， 2014， 42(05):183-188．

[5] 鲍玉军. 基于ARM与GPRS技术的SCADA系统在风光电厂中的应用[J]. 电子技术应用， 2011， 37(06)：131-134．

[6] 梁小宇， 刘新华. 基于组播树的改进一致性数据融合算法[J].华中师范大学学报: 自然科学版， 2011， 45(03):374-379．

[7] 何一鸣. 基于LPC2214的传感器网关设计[J]. 南京航空航天大学学报， 2012， 44(06)：911-916．

Sink node of wireless sensor network for monitoring of water-quality-parameters

BAO Yujun， ZHANG Bing， DING Guoliang

(School of Electronic Information & Electric Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， Jiangsu 213002)

To meet the requirements of high reliability and safety of water for daily life， industrial and agriculture production， real-time and reliable monitoring of water-quality-parameters should be implemented. A kind of Sink Node of WSN including such technologies as intelligent sensor， data acquisition and wireless communication for monitoring of water-quality-parameters was designed. Water-quality-parameters’ A/D conversion and the communications between Sensor Nodes are realized by using CC2530. The final data of WSN is processed by using ARM7 kernel Microprocessor S3C44B0X， and the processed data is transmitted by controlling GPRS module. Solar panel and battery is applied in this design， which doesn’t need additional electric power. And the conversion from solar to power is also controlled by S3C44B0X. μC/OS-Ⅱis transplanted to S3C44B0X， which is helpful for the operation of Sind Node. The research results indicate that this Sink Node is able to be applied in long monitoring of all kinds of water-quality-parameters with excellent performance.

WSN; sink node; solar power； ARM7 kernel

2015-01-31.

江苏省自然科学基金项目(BK20141165)；江苏省大学生实践创新项目(201411055038).

1000-1190(2015)04-0527-05

TP399< class="emphasis_bold">文献标识码： A

A

*E-mail: yujun_bao@163.com.