摘 要： 針對現有水質監測手段中實時性差、監測覆蓋率小、機動監測能力差等缺點，設計一種基于ZigBee無線傳感技術的實時水質監測終端。利用ZigBee技術實現多個監測終端的動態分布式組網，從而在大范圍水域內構建多個配置靈活、布置迅速的水質監測網絡，最終獲得大量有價值的水質數據，為后續數據分析奠定基礎。測試結果表明，該水質監測終端可靠性高，檢測精確。
關鍵詞： 水質監測；數據采集；ZigBee
0 引言
近些年來，我國在國民經濟快速發展的同時，也伴隨著水資源的過度開發和生態環境的嚴重破壞。水質監測作為水資源保護重要的工作基礎和技術支撐，其準確性、及時性、可靠性被賦予更高的要求[1]。目前國內主要有實驗室與自動監測站兩種水質監測方式，這兩種監測方式均需交流電供電，設備沉重復雜，造價和維護成本極高，使其在河流、湖泊等水域中使用受到限制。此外，國內流域眾多，地形復雜，水質監測覆蓋率低，現場采樣能力不足[2]。水質監測工作難以突破瓶頸。
為了提高水質監測覆蓋率，提高水質監測工作效率，本文設計了一種水質監測終端，利用ZigBee無線傳感技術，通過自組網方式在目標水域內形成動態拓撲、多跳傳輸、可自修復的無線水質自動監測網絡。建立網絡后，各終端利用水質傳感器采集水質數據，通過無線傳感網匯總所有水質數據，上傳到上級監測站進行處理。整個監測網絡對水體影響小，監測范圍廣，監測密度大，能對大范圍水域進行分布式實時自動監測。
1 整體框架
在水質監測中，PH、溫度、電導率、混濁度、溶解氧是反應水體綜合特征的重要參數，在水產養殖、污水處理、環境監測方面都必不可少，依此設計的水質監測終端的結構如圖1所示。水質監測終端主要由CC2430主控制器、數據采集模塊、供電模塊、數據存儲模塊構成。CC2430主控制器負責ZigBee網絡管理和無線數據收發；數據采集模塊由水泵、液位傳感器、水質傳感器調理電路組成，協同完成5項水質常規參數的采集并發往CC2430主控制器；終端的能源供應采用太陽能蓄電池供電；數據存儲模塊負責在通信不暢的情況下保存終端的水質數據，待網絡恢復時重新發送數據，更好地維護水質數據的安全性。水質監測網絡利用ZigBee無線傳感技術匯總多個監測終端的數據，并依據國家地表水環境質量標準對目標水體進行水質分類，最終實現對目標水域的全面監控與綜合評測。
2 硬件設計
本文選用TI公司的CC2430作為監測終端的主控制器，數據采集模塊、數據存儲模塊、供電模塊等外接于主控制器構建硬件平臺。由于水質傳感器種類較多，原理各不相同，在此對主要的幾類水質傳感器及其接口電路的設計進行介紹。
2.1 PH值測量電路
本設計采用玻璃電極法測量PH值，其工作原理是：當目標水體的離子氫濃度發生變化時，指示電極和參考電極之間的電勢差也會產生變化，由此可測得水溶液PH值[3]。本文使用的PH電極型號為E201-C，其內阻較高，在109Ω以上，PH值與輸出電壓之間滿足線性關系59 mV/PH，當PH=7時輸出電壓約為0，輸出電壓呈兩極性且范圍較小。根據上述原理，設計PH值測量電路如圖2所示。
為了與PH復合電極的高阻抗匹配，電路中選用了高輸入阻抗低噪聲的CA3140運算放大器。利用TL431和CA3140為PH的參考電極提供一個合適的正向偏置電壓，使其輸出電壓能適用于CC2430內的A/D轉換電路。在指示電極處接入一個電壓跟隨器進行阻抗匹配，然后經一正向比例放大器進行信號放大得到輸出電壓。PH電極的電勢差V可用如下公式計算得出：
式中，Vout為PH測量電路的輸出電壓，Vref為參考電極上的偏置電壓。
溶解氧測量電路的設計方法類似，在此不再贅述。
2.2 電導率測量電路
電導率傳感器根據測量原理不同可以分為電極型傳感器、電感型傳感器以及超聲波型傳感器[4]。本文選用DJS-0.1C電極型電導率傳感器，采用電阻測量法來得到電導率，其測量電路如圖3所示。為了防止在測量過程中電極出現極化反應，本設計采用文氏電橋振蕩器來產生一個頻率為2 kHz、幅值為1 V的正弦波作為電極的激勵源。電極與水體組成電導池，并可等效成電阻RX，RX與R9、CA3140構成一個反比例放大器，將正弦激勵源放大。由于不同水樣的電導率不盡相同，通過對正弦波放大系數的計算就可以得到等效電阻，近而算出水樣的電導率。由于A/D無法處理交流信號，因而在電路中加入由雙運放LM358構成的峰值檢波電路，提取峰值電壓后再送給A/D。目標水體的電導率S可用如下公式計算得出：
式中，Vout為測量電路的輸出電壓，K為電導池參數，取0.1 cm。
2.3 混濁度測量電路
在混濁度測量上，本文選用GE公司的TS光學濁度傳感器，傳感器內部采用紅外發光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，通過檢測其透射光強度來檢測溶液混濁度。由于不同溶液含有的雜質和塵埃顆粒的大小與密度不同，透射光強也有所不同，接收端的光電三極管則根據光強大小產生不同的光電流，經過濾波放大后即可得到與混濁度相關的檢測信號[5]。其測量電路如圖4所示。為保證光源的穩定性，本設計采用基于精密電壓基準芯片MAX6126的恒流源驅動方式。在輸出端用OP07實現IV轉換，將光電三極管輸出的微弱電流信號轉換為0~500 mV的電壓信號。轉換后的電壓仍然非常微弱，所以接入了一個放大電路。放大電路使用AD623和少量外部原件搭建一個改進的三儀表放大電路。IV轉換后的毫伏級電壓由正相端輸入，反向端由+5 V分壓后提供一個1 mV參考電壓。R7為外置增益設置電阻，取為11 kΩ,設置輸入信號放大10倍。
2.4 供電模塊
考慮到終端需要長期在戶外工作，所以采用太陽能板和蓄電池供電的方式。設計中各個模塊對電壓需求不盡相同，供電模塊如圖5所示。由于監測終端上設計有水泵控制電路，水泵工作時的大電流可能影響主控芯片，使主控芯片出現異常，進而導致癱瘓。設計中使用隔離穩壓、正負雙路輸出的DCDC電源芯片AS1212，實現水泵和其他模塊的隔離，以保證監測終端正常工作。兩路輸出電壓，一路接入2596可調開關穩壓芯片輸出10 V電壓供水泵使用，另一路分別經過7805、7905、1117線性穩壓芯片得到±5 V電壓以及3.3 V電壓供CC2430芯片和其他模塊使用。
3 軟件設計
監測終端的應用程序在Z-Stack協議棧上進行開發。Z-Stack是TI公司為ZigBee開發專門編寫的基于事件輪詢機制的協議棧，協議棧符合ZigBee2006規范，并支持多種平臺。協議棧由物理層、MAC層、網絡層、應用層4個部分組成，自組網功能已在協議棧內實現，用戶只需要在應用層添加特定的事件處理函數即可，開發簡單而高效[6]。
監測終端作為ZigBee網絡中的終端節點，在上電后首先完成OSAL系統初始化，然后搜索、篩選最可靠的ZigBee網絡提出加入請求，成功加入后就準備隨時接收協調節點的命令開展水質采集任務。
鑒于Z-Stack是一個基于輪詢機制的協議棧，而水質傳感器的響應速率不高。短時間內頻繁地采集水質數據，意義不大。長時間停留在一個任務處理函數內雖然可以采集有效的數據，但Z-Stack協議棧內其他系統任務則無法正常運行。本設計充分利用了Z-Stack多任務處理的特點，將水質采集任務劃分為多個階段性的任務，一方面保證了Z-Stack協議棧運行的實時性，另一方面多個時間點對同一水樣的數據采集規避了數據的偶然性，提高了水質數據的準確性。水質采集任務的細化程序流程如圖6所示。
本設計將水質采集任務劃分為指令解析、水樣抽取、水樣檢測、水質數據處理發送、水樣排放5個階段性任務，分別編寫事件處理函數，并對各個階段任務定義了狀態碼，以說明監控終端當前的工作狀態。終端可以根據每個階段任務的完成情況，迅速決策下一階段任務，并將其報告給網絡內的協調器節點。
4 測試與結果
根據設計需求，針對水質監測終端的數據采集準確性和無線網絡的通信性能進行了測試。按照水域環境功能的不同，分別從3處水域收集水質樣本。同樣的水質樣本分別使用本文設計的水質監測終端和實驗室水質監測儀進行數次測量取得平均值，表1為水質測試數據。從表1中可看出，系統的水質測量值與實際值數據基本吻合，偏差很小，能夠準確識別水樣的水質類型，可靠性強。
ZigBee組網的穩定性和傳輸距離的測試結果如表2所示。從表2可看出，ZigBee網絡在一定距離范圍內可以實現穩定傳輸，通信距離達80 m時，丟包率顯著上升。因此本文設計的系統ZigBee節點在60 m左右組網丟包率低，符合設計要求。
本文采用ZigBee無線傳感技術和智能水質傳感器設計了一種無線實時水質監測終端。利用無線傳感網的技術優勢，多個終端可以協同工作，迅速在目標水域布置水質監測網絡，得到動態的水質監測數據。該終端結構緊湊，易于實現，工作穩定，非常適于在野外水域進行大面積、大數據量、連續、準確的水質監測，對現有水質監測技術做出較好的補充。
參考文獻
[1] 王麗偉,黃亮,郭正,等. 水質自動監測站技術與應用指南[M].鄭州:黃河水利出版社, 2008.
[2] 蘇紅永. 淺議水質分析的意義與內容[J]. 低碳世界, 2014(1): 96-97.
[3] 陳朝東. 水環境監測技術問答[M]. 北京:化學工業出版社, 2006.
[4] 周明軍,尤佳,秦浩,等. 電導率傳感器發展概況[J]. 傳感器與微系統, 2010,29(4):9-11.
[5] 扈剛,王干一. 渾濁度傳感器的設計[J]. 傳感器技術, 2005,24(5):43-46.
[6] Shahin F. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. UK:Newnes,2008.