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摘要：

本文主要采用Zigbee技術(shù)對水環(huán)境水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)測，具有多點、自動、實時、連續(xù)、準(zhǔn)確、低功耗、高穩(wěn)定性等特性的無線傳感器水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對水體溫度、PH值濁度值等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：

水質(zhì)監(jiān)測；ZigBee；CC2530；LabVIEW

近幾年環(huán)境不斷惡化，人類賴以生存的水資源也正不斷地被污染，為了更好地保護(hù)水資源，我們需要加強(qiáng)對水資源的監(jiān)測。通過對水環(huán)境信息的采集、處理、傳輸、存儲、維護(hù)和分析，可為水環(huán)境管理與決策提供技術(shù)支持和服務(wù)[1]。在眾多的水質(zhì)檢測方法中，主要是化學(xué)法和電子傳感器法，由于前者耗費的成本較高、不具備實時檢測性等缺點，故選擇電子傳感器法。為了更加方便地監(jiān)測，我們需要借助無線傳輸技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，因此，基于Zigbee的水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)成為首選。

1Zigbee技術(shù)概述

Zigbee是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種，由于其具備低功耗、短距離、低成本等優(yōu)點[2]，受到了人們的青睞，這幾年發(fā)展特別迅速，應(yīng)用比較廣泛。Zigbee是一種基于IEEE.802.15.4協(xié)議的技術(shù)，在原有物理層、介質(zhì)訪問層的基礎(chǔ)之上，增加了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]，如圖一所示。系統(tǒng)中的設(shè)備對象有三個，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立（唯一能系統(tǒng)設(shè)計夠建立網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備），協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由，把終端接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)通過無線射頻的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器或者路由器。

2基于ZigBee的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)框架（見圖二）由ZigBee協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點以及上位機(jī)組成。ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。系統(tǒng)采用CC2530作為節(jié)點主控制器。CC2530采用片上系統(tǒng)SOC能夠有效地降低系統(tǒng)功耗節(jié)省一定的成本，另外，其還有顯著的特點就是將MCU和RF射頻部分有機(jī)的結(jié)合起來[4]，這種解決方案比MCU+射頻芯片的方案更易于接受，有效地解決了低功耗和穩(wěn)定性的問題。為了便于軟硬件的調(diào)試和部分電路的拓展，本文設(shè)計了協(xié)調(diào)器和傳感器的模塊化的電路。協(xié)調(diào)器電路主要由主電源（由外部接入5v電源或者電池作為電源，經(jīng)過3.3v的穩(wěn)壓芯片之后供給單片機(jī)）、系統(tǒng)時鐘（包含32M和32.768K的晶振電路）、復(fù)位電路、按鍵電路（主要功能是系統(tǒng)組網(wǎng)時需要人為干預(yù)的外部應(yīng)答機(jī)制）、LED電路（能夠宏觀的觀察到系統(tǒng)組網(wǎng)的部分過程，由綠色、紅色、黃色和藍(lán)色4個LED燈組成）、LCD電路（為了便于調(diào)試，需要液晶顯示部分?jǐn)?shù)據(jù)）、接口調(diào)試電路（主要用于將軟件程序燒進(jìn)單片機(jī)和軟硬件的調(diào)試）、串口通信電路（需要將傳感器接收來的數(shù)據(jù)通過串口通信電路傳送至上位機(jī)，便于上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理）和RF射頻電路（通過這部分電路使協(xié)調(diào)器和終端之間能夠進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的通信）組成。另外，終端（傳感器）部分主要是在協(xié)調(diào)器的基礎(chǔ)之上加上了傳感器電路，主要包括溫度、PH和濁度傳感器、信號調(diào)理電路（主要包括信號放大電路、濾波電路等）。對于PH傳感器部分，由于其特殊的高輸出阻抗，需要匹配高輸入阻抗的放大器，需要有負(fù)電源的加載，最后通過接線口將模擬信號（溫度傳感器除外）接入單片機(jī)的I/O口，通過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。節(jié)點設(shè)計如圖三所示。

3Zigbee開發(fā)平臺

CC2530片上系統(tǒng)的開發(fā)用到的是專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具IAR。它支持多達(dá)32位系統(tǒng)的MCU。Z-stack協(xié)議棧將基本的一些功能都封裝成了函數(shù)的形式，同時為了更好地管理這些函數(shù)，在協(xié)議棧內(nèi)部加入一個簡單的操作系統(tǒng)，稱為OSAL操作系統(tǒng)。在用戶開發(fā)應(yīng)用的過程中，其主要是對應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)（其他層會有相應(yīng)的改變），在程序框架中，包括了240個應(yīng)用對象，我們可以把這些對象看成是一個個任務(wù)，因此需要OSAL這樣的一個機(jī)制來實現(xiàn)任務(wù)的切換、調(diào)度、同步等。在協(xié)議棧中，主函數(shù)主要就是完成兩件事：系統(tǒng)的初始化和執(zhí)行操作系統(tǒng)。系統(tǒng)初始化的內(nèi)容主要有：系統(tǒng)時鐘初始化、初始化堆棧、初始化外部硬件模塊、初始化FLASH閃存、初始化MAC層、初始化操作系統(tǒng)和執(zhí)行操作系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器部分最重要的函數(shù)之一就是將接收的數(shù)據(jù)處理之后，通過串口功能發(fā)送給Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與整合。

4上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)中采用Labview作為上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Labview是一種程序開發(fā)語言，但其不同于我們傳統(tǒng)印象中的C語言軟件平臺，它并不會用C語言進(jìn)行編程，而是采用G語言編寫（圖形化的編程語言），最后得出來的程序是以框圖結(jié)構(gòu)的樣式展現(xiàn)出來的。本系統(tǒng)利用了Labview的函數(shù)庫串口控制，把協(xié)調(diào)器發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)連接起來。首先將一些串口通信的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位和控制流，緊接著設(shè)置采樣時間，當(dāng)采集完數(shù)據(jù)之后，搜索是否有ZB兩個字節(jié)，緊接著判斷屬于哪個節(jié)點，本系統(tǒng)中共有三個節(jié)點，之后將傳感器的三個數(shù)據(jù)檢索出來，分別顯示（圖表顯示和實時曲線）。我們將傳感器同一類的數(shù)據(jù)放在一副曲線表中顯示，用不同顏色的曲線加以分別，如圖四所示。

5結(jié)束語

本系統(tǒng)能夠較好地對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行比較精準(zhǔn)的測量，且上位機(jī)也能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行很好地處理。本系統(tǒng)主要的優(yōu)點是將無線ZigBee技術(shù)引入水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)即時部署、即時組網(wǎng)；可實現(xiàn)多參數(shù)、多點、實時、自動地進(jìn)行水質(zhì)的監(jiān)測，提高監(jiān)測效率；可有效提高系統(tǒng)通信效率，大大降低監(jiān)測人員的勞動強(qiáng)度，提高管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王志敏，王穎，占志鵬，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測信息融合研究[J].科技廣場，2012，（03）：79-81.

[2]PatrickKinney.ZigBeeTechnology：WirelessControlthatSimplyWorks[C].CommunicationsDe-signConference，2003.

[3]薛秦剛.IEEE802.15.4的ZigBee協(xié)議棧研究與仿真[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[4]徐健，楊珊珊.基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（05）：55-57.

作者：王穎 程建軍 任錦峰 溫華林 單位：南昌工程學(xué)院