基于ZigBee无线技术的水环境监测节点

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基于ZigBee无线技术的水环境监测节点 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种可用于水环境监测的无线传感器网络节点设备，该设备采用低功耗处理器和高效的ZigBee无线传输技术，属于无线通信和嵌入式系统技术领域。 背景技术\n[0002] 水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高效、实时、准确地获取水环境参数，研究开发网络化、智能化的水环境实时监测系统已成为迫切需要。 \n[0003] 现有的水环境监测方法主要分为两种：1)采用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式；2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统。前者无法对水环境参数远程实时监测，存在监测周期长、劳动强度大、数据采集慢等问题，无法反映水环境动态变化，不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，故有系统成本高、监测水域范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。 \n[0004] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量的廉价微型节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象信息，并发送给观察者。它的出现产生了一种全新的信息获取和处理模式，结合不同类型的传感器，在环境监测、军事侦查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域有着广阔的应用前景。基于无线传感器网络的水环境实时监测系统是无线传感器网络在环境监测方面的典型应用。与现有的水环境自动监测系统相比，基于无线传感器网络的水环境监测系统具有对生态环境影响小、监测密度高且范围广、系统成本低等优点。 \n[0005] 目前，基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有美国Heliosware公司的EMNET系统和澳大利亚CSIRO的Fleck系统。EMNET系统可测量水压、PH值、电导率、溶解氧等参数，无线通信频段为900MHz，速率为9.8kbps；Fleck系统主要测量的指标是：PH值、水温、电导率，无线通信频率为433MHz，速率72kbps。上述两种系统可采集参数种类较少、不提供对水环境的视频监测功能、通信速率低、产品体积较大、功耗较高，仅适合用作研究，目前尚不能作为实用系统在现场使用。 \n[0006] 基于无线传感器网络的监测系统通常包括传感器节点、数据基站、监测中心。大量传感器节点部署在监测区域中，以自组方式构成网络，传感器节点采集感兴趣的环境信息并路由至数据基站，由数据基站通过有线或无线方式送至远程监测中心，用户通过监测中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测内容以及收集监测数据。通常情况下，监测区域类型多样、环境复杂，有线传输方式存在布线困难、成本高等缺点，很难满足数据传输的要求，而无线传输则具有组网简单方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可很好地实现监测系统中数据传输的要求。 \n发明内容\n[0007] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigBee无线技术的传感器网络监测节点。克服现有水环境监测装置监测周期长、实效性差、劳动强度大、监测水域范围有限、系统成本高以及对水体的生态环境造成破坏等问题。该节点成本低、功耗低，能够长期置于水环境中，对水体参数进行多参数实时监测。通过ZigBee无线技术进行数据传输，无需铺设电缆和建立多个监测子站。 \n[0008] 本发明的水环境监测节点包括微处理器模块、ZigBee射频模块、电源管理模块和水质参数采集模块。微处理器模块分别与水质参数采集模块中的放大电路以及ZigBee射频模块连接；电源管理模块分别与其他模块连接，为其供电。 \n[0009] 微处理器模块采用TI公司的MSP430F149低功耗处理器，用于控制ZigBee射频模块与传感器网络节点、以及网关基站间的通信，并对采集的水环境参数作简单的分析与处理。 \n[0010] ZigBee射频模块采用CC2420射频芯片，用于实现无线传感器网络的数据监测节点与基站设备间的通信。通过SPI接口与MSP430F149处理器互连。ZigBee射频模块支持\n2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，可与分布于监测水域内的数据监测节点以及基站通信。 \n[0011] 电源管理模块使用两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源，通过电压转换电路产生3.3V和5V电压，为节点上各个模块供电。 \n[0012] 水质参数采集模块采用E+H公司的水质参数传感器，用于完成水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量的数据采集。传感器输出的微弱电压、电流信号通过放大电路，转变为标准电压信号。MSP430F149低功耗处理器对放大电路输出的标准信号进行分析和处理，可实现多种水质参数的采集(包括包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等)。 [0013] 本发明的基于ZigBee无线技术的水环境监测节点可采集多种水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等)，对水质参数进行简单处理，并通过ZigBee无线通信方式将采集处理后的数据发送至基站。同时节点可接收基站发送的控制指令，并根据指令要求完成相应操作(包括配置数据监测节点、控制节点工作状态、查询和收集相关信息等)。 \n[0014] 该节点拥有传感、计算与通信能力，具有低成本、低功耗的特点，与现有的水环境实时自动监测系统相比，有以下优点： \n[0015] 1.可同时采集多种水质参数、数据采集覆盖范围广。本发明可实时采集、传输多种水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等)。传感器节点部署方便，不受地理环境的约束，可以监测大范围水域的水质变化情况。 \n[0016] 2.数据通信能力强。采用新2)传感器多点密集部署：密集部署的多个传感器节点可以对地理分布范围较广的每个小水域的水环境参数进行检 测，并通过对大量冗余信息的智能信息处理提高参数检测的精度。 \n[0017] 3.节点设备环境适应性强。节点各部件均采用符合工业级标准的器件，在野外恶劣的环境条件下具有较强的适应能力。应用电源管理模块、低功耗处理器(MSP430F149)以及低功耗传输模式(ZigBee)，延长了节点在野外的生存时间。 \n[0018] 4.数据处理速度快，功能强。本发明使用16位高性能的MSP430F149作为处理器。\n提高了数据处理以及数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系统升级和功能更新。 \n[0019] 5.电路结构清晰，工作稳定可靠。节点设备各功能模块和接口定义清晰，其中MSP430F149处理器作为整个节点设备的控制中心，协调各功能模块完成数据的采集、处理及传输功能。 \n[0020] 6.系统成本低：相对于现有的水环境自动监测系统和人工采样实验室分析方法，设备和人工的费用大大降低。 \n附图说明\n[0021] 图1为本发明的整体结构示意图； \n[0022] 图2为本发明的水质参数信号流示意图； \n[0023] 图3为基于无线传感器网络的水环境监测系统整体构架示意图； 具体实施方式\n[0024] 下面结合附图对本发明提供的无线传感器网络节点设备作进一步描述。 [0025] 图1为本发明提供的可用于水环境监测的无线传感器网节点设备的结构原理框图，该基站设备包括电源管理模块1、水质参数采集模块2、微处理器模块3以及ZigBee射频模块CC24204四部分。各模块中均采用现有成熟技术。其中， \n[0026] 电源管理模块1包括：两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源1-1，标称容量为2.7Ah；以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块1-2，为水质参数采集模块2中的水质参数信号放大电路2-2提供5V电 压；以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块1-3，为微处理器模块3和ZigBee射频模块CC2420 4提供3.3V电压。 \n[0027] 水质参数采集模块2包括：多种水质参数传感器2-1和水质参数信号放大电路\n2-2。多种水质参数传感器2-1可采集多种水质参数(包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量)，使用E+H公司的水质参数传感器(PH值传感器OrbiSint W CPS 11，溶解氧含量传感器OxyMax W COS41，电导率传感器ConduMax W CLS12，浊度传感器TurbiMax W CUS 31，温度传感器使用PH值传感器上自带的Pt100温度传感器)。水质参数信号放大电路2-2以运算放大器TLC2252为核心搭建而成。多种水质参数传感器2-1输出毫伏级微弱电压信号，通过水质参数信号放大电路2-2转换为5路0到3.3v的电压信号，送入微处理器模块3的A/D转换器，完成水质参数采集。 \n[0028] 微处理器模块3采用MSP430F149微处理单元。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作，其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设。其中，多路12位的A/D转换器用来采集和处理水质参数采集模块2传输来的水质参数信号。微处理器模块3通过SPI接口与ZigBee射频模块CC2420 4互连，实现水质参数的接收和发送。同时，微处理器模块3与水质参数采集模块2中的温度传感器通信，对水质参数传感器的温度漂移进行温度补偿。微处理器模块3还利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块1-2，在节点不采集水质参数的情况下，停止电压转换电路模块1-2对水质参数信号放大电路2-2供电，以降低节点能耗。ZigBee射频模块CC2420 4用于实现无线传感器网络中，节点与节点、节点与基站间的通信。通过SPI接口与微处理器模块3互连； \n[0029] 图2所示为本发明的水质参数信号流示意图。多种水质参数传感器2-1采集水环境监测现场的多种水质参数，输出毫伏级电压信号，经由水质参数信号放大电路2-2放大后输出标准电压信号，传输至微处理器模 块3的A/D转换器，转换为微处理器可以操作的数字信号，微处理器模块3对A/D变换后的水质参数信号进行简单的分析和处理，并通过SPI总线传输至ZigBee射频模块CC2420 4，再由ZigBee射频模块CC2420 4把水质参数信号发送给临近的水质参数监测节点或基站设备。 \n[0030] 在整个监测系统中，基站8通过协议转换将传感器网络即ZigBee网络6与CDMA网络9两个异构网络连接在一起，充当两者之间的网关。水环境监测系统的数据流、状态流、命令流传输情况如下。在监测过程中，分布于子区域7中的数据监测节点5通过水质参数采集模块2采集水温、PH值、溶解氧含量、浊度、电导率等水环境参数，利用ZigBee射频模块CC24204通过ZigBee网络6以多跳方式最终上传至基站8。基站8经由接收水环境参数和ZigBee网络6状态信息，进行简单的分析和处理后，产生是否超限、是否需要报警等信息。最终将采集的水环境参数和ZigBee网络6状态信息连同分析处理后的报警信息，经由CDMA网络9发送至远程监测中心10。远程监测中心10接收基站8上传的各种信息，分析处理相关数据，并根据监测需要发送控制指令至基站8。而基站8接收到指令后，经解码做出相应的控制操作，例如，发送控制指令至ZigBee网络6，配置相关数据监测节点5等，满足远程监测中心10简单的控制要求。 \n[0031] 该水环境监测节点工作过程如下： \n[0032] 电源管理模块1的两节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源1-1，通过以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块1-2，为水质参数信号放大电路2-2提供5V电压，通过以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块1-3，为微处理器模块3和ZigBee射频模块CC2420 4提供3.3V电压。微处理器模块3利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块1-2，在节点不采集水质参数的情况下，停止电压转换电路模块1-2对水质参数信号放大电路2-2供电，以降低节点能耗。当微处理器模块3允许以LM2596-5.0为核心的电压转换电路模块1-2为水质参数信号放大电路2-2供电时，水质参数采集模块2开始 进行多种水质参数采集。其中，多种水质参数传感器2-1可集多种水质参数，包括水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量，多种水质参数传感器2-1输出毫伏级微弱电压信号，通过水质参数信号放大电路2-2转换为5路0到3.3v的电压信号，送入微处理器模块3的A/D转换器，完成水质参数采集。微处理器模块3的多路12位A/D转换器把水质参数采集模块2传输来的模拟信号转换为数字信号，并且对转换后的数字信号进行简单的分析和处理。微处理器模块3把分析处理后的水质参数信号通过SPI接口传输到ZigBee射频模块CC2420 4，通过ZigBee无线通信模式发送水质参数。 \n[0033] 本发明提供的基于ZigBee无线技术的水环境监测节点，作为整个水环境监测系统的基本数据采集设备，实现了对水环境的无线实时监测。图3为基于无线传感器网络的水环境监测系统整体架构示意图。将整个待监测水域划分为若干个子区域7，系统架构可分为三个层次：子区域内数据监测节点5(本发明提供的节点)、子区域内基站8、远程监测中心10。其中，在子区域7中构建基于ZigBee无线技术的传感器网络：ZigBee网络6，每个子区域配置一个基站8，对分布在子区域7中ZigBee网络6中的多个数据监测节点5进行数据采集和状态监测，并通过CDMA网络9将采集的实时数据传送至远程监测中心10。远程监测中心10接收实时视频信息和水环境参数，提供用户人性化的监控界面，并拥有强大的数据管理和分析功能。