２０１２往 仪表技术与 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ２０１２ Ｎｏ．６ 第６期 基于ＺｉｇＢｅｅ的水质监测无线传感器网络节点 刘继忠 ，敖俊宇 ，黄（１．南昌大学机器人研究所，江西南昌翔 ３４４０００） ３３００３１；２．抚州职业技术学院机电系，江西抚州摘要：设计了基于ＺｉｇＢｅｅ的水质监测无线传感器网络系统。采用ＣＣ２４３０作为节点主控芯片，利用ｚ—Ｓｔａｃｋ协议栈 进行软件开发，系统自动采集发送水质数据，并实现了与监控终端之间的通信。试验结果表明：系统能够实时性监测目标 水域的水质数据，简单便捷，成本更低。当需要检测的地点比较多时，使用ＺｉｇＢｅｅ技术的优势可以更明显，为广大水域的 水质自动监测提供了有效的方法和手段。 关键词：水质监测；无线传感器网络；ＺｉｇＢｅｅ 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１２）０６—００６４—０２ Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＬＩＵ Ｊｉ—ｚｈｏｎｇ ，ＡＯ Ｊｕｎ—ｙｕ ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎｇ２ （１．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｅｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｆｕｚｈｏｕ ３４４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ＣＣ２４３０ ａＳ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｎｄ Ｚ—Ｓｔａｃｋ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｎｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉ￣ｄａｔａ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ， ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｎｄ ｇｏｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｉｎａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｅａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｏｎｉｔｏｒ ｐＨ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｗａｔｅｒｓ ｓｉｍｐｌｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｓｔ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｒｅｇｉｏｎｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ，ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ ＺｉｇＢｅｅ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗａ— ｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｄｅ ｗａｔｅｒ ａｒｅａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＺｉｇＢｅｅ １原理 作在有外接电源或容量较大的电池供电的条件下，保证系统长 时间连续工作 。 协调器硬件结构如图１所示，主要由处理器ＣＣ２４３０模块、 水质监测系统由传感节点和协调器组成。传感节点按照 某种算法置于需要检测的区域内。传感节点所具有的自组织 能力使之能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络 协议自动形成转发水质监测数据的多跳无线网络系统。 传感节点放置后对所在区域的水质进行实时信号采集（ｐＨ 值与电导率值），再将信号进行Ａ／Ｄ转换、计算、存储后通过无 线射频通信模块，把得到的水质数据发送给网关即协调器，最 后协调器通过串口发送至监控端ＰＣ机上，完成了对相关水域 参数的实时监控。系统在非工作状态时，传感节点进入休眠状 天线、电源模块、串口和ＵＳＢ接口模块、时钟部分、和ＬＥＤ指示 及ＬＣＤ显示屏等部分组成。 态，使功耗降到最低，以节约电能。 ２系统硬件设计 图１协调器节点结构图 系统选择ＣＣ２４３０芯片作为协调器节点的核心部分。 基于软硬件协同设计思想，选择了通用的成熟的Ｉｃ模块， 构建监控系统的硬件平台 Ｊ。系统分为２部分：ＦＦＤ和ＲＦＤ。 ＣＣ２４３０整合了业界先进的ＲＦ收发机ＣＣ２４２０以及工业标准的 增强型８０５１ＭＣＵ的卓越性能，还包括８ＫＢ的ＳＲＡＭ、大容量闪 存以及许多其他的强大外设如ＡＤＣ、ＡＥＳ一１２８安全协同处理 这２个部分都包含了ＺｉｇＢｅｅ模块，但根据其功能的不同，对其 设计也不同。 ２．１网络协调器 器等 。ＣＣ２４３０片上系统是高度集成的解决方案，仅需很少 的外置元件，且所选用的元件均为低成本型，可支持快速、廉价 的ＺｉｇＢｅｅ节点的构建 。 ２．２传感节点 网络协调器作为全功能设备（ＦＦＤ），需要比较强的处理能 力、存储能力，无线传感器网络中所有的网络消息全部汇聚到 协调器。协调器一般来说需要长时间不问断运行，同时由于外 围设备较多，整体上协调器功耗较大，因而协调器最好能够工 传感节点通过携带能量有限的电池供电，因此其处理能 力、存储能力和通信能力相对较弱，故作为简化功能设备 （ＲＦＤ）。在实际应用中，由于需要传感节点长时间运行，要求 硬件系统必须简单，才能有效降低功耗。因此传感节点整个硬 收稿日期：２０１１—１０—０８收修改稿日期：２０１２—０３—３０ 第６期 刘继忠等：基于ＺｉｇＢｅｅ的水质监测无线传感器网络节点 ３．１．２传感节点程序流程 件系统结构十分精简，只包含以下几个部分：ＣＣ２４３０片上系 统、３２ ＭＨｚ系统时钟和３２．７６８ ｋＨｚ的实时时钟、调试接口、串 行接口、天线以及为系统供电的电池。所以从总体上看，除了 由于传感节点电池携带能量有限，故在软件设计时既要使 之完成需要的功能，又要考虑能耗问题。故传感节点的程序设 计应使各模块尽量在休眠状态。 传感节点上电后首先进行ＺｉｇＢｅｅ协议栈初始化，然后开始 ＣＣ２４３０片上系统是主要能量耗费者，其余电路部分与ＣＣ２４３０ 片上系统相比能耗基本可以忽略，并且ＣＣ２４３０正常工作时功 耗也非常低，所以整个传感节点十分省电，功耗极低，可以满足 长时间运行的需要。 信道扫描，寻找协调器节点。当检测到有协调器节点的超帧信 号时，向其发送建立连接的请求。在协调器允许连接并成功与 协调器建立绑定后，获得协调器的标识号，加入到网络中，开始 定时测量ｐＨ值和电导率并无线发送给协调器。主要流程如图 根据采集参数需要，传感器选择ｐＨ复合电极和电导率电 极。ｐＨ电极与相应的接口电路接口后的测量范围为０—１４，响 应时间＜２ ｍｉｎ，输出电压信号为０—３ Ｖ．电导率电极与相应的接 ４所示。当传感节点空闲时，会转入休眠状态，节电降低功耗。 口电路接口后的测量范围为０．００～２ ０００ Ｉ￣ｓ／ｃｍ，输出电压信号 ０～３ Ｖ，精度均在－ｔ－５％以内。ＣＣ２４３０再将传感器电极的电压信 号进行Ａ／Ｄ转换为数字信号，通过传输所得到的不同的信号值 即可确定ｐＨ与电导率值。传感器节点结构如图２所示。 传感器 佃ｃ Ｈ竺 ・— 收发器 ｔ ｔ 二 ｔ ８Ｖ电池 图２传感器节点结构 ３系统软件设计 ３．１节点软件设计 系统的节点软件可分为协调器（ＦＦＤ）软件和传感节点 （ＲＦＤ）软件２部分。两部分软件是由基于一个轮转查询式操 作系统的Ｚ—Ｓｔａｃｋ协议栈开发，Ｚ—ｓｔａｃｋ协议栈定义通信硬件和 软件在不同级如何协调工作。协议栈的ｍａｉｎ函数在ＺＭａｉｎ中， 主要进行系统初始化及开始执行操作系统实体。Ｚ－ｓｔａｃｋ已经 编写了对从ＭＡＣ层到ＺｉｇＢｅｅ设备应用层这五层任务的事件的 处理函数，一般情况下无需修改这些函数，只需编写应用层的 任务及事件处理函数即可。Ｚ－Ｓｔａｃｋ协议栈用Ｃ语言编写，可移 植性强。 整个应用程序应该具备以下基本功能：协调器可以自动建 立一个网络；传感节点能够自动发现网络，而且一旦加入了网 络，就能够自动与协调器建立绑定；传感节点周期性地向协调 器发送传感数据。 ３．１．１协调器节点程序流程 在一个网络中，通常只有一个协调器用于接收传感节点采 集的信息，并且将这些信息进行实时显示并发送给监控端ＰＣ。 协调器节点上电后首先要进行ＺｉｇＢｅｅ协议栈初始化工作，然后 再进行信道扫描及空闲信道评估，选择合适的工作信道和网络 标识符。然后启动ＺｉｇＢｅｅ网络，并发送超帧，等待传感节点的 连接请求。当收到传感节点的连接请求时，对其进行认证，然 后发出允许连接的命令，即实现传感节点与协调器的绑定。网 络形成后，协调器把传感节点的标识号发送给监控端登记，并 等待传感节点发送数据。当有传感节点向协调器发送数据时， 协调器会对数据进行处理并发送给监控终端，监控终端软件可 将这些数据实时显示。协调器节点程序流程如图３所示。 图３协调器节点程序流程 图４传感节点程序流程 ３．２监测终端软件设计 监测终端软件以工控机或者Ｐｃ为硬件平台，向用户提供 了非常友好的交互界面，是整个系统信息集中交汇的中心。系 统终端监控软件不仅需要对无线传感器网络的数据进行接收 和处理，还可针对系统的应用领域进行功能的定制。 监控软件由采用ＶＣ＋＋６．０编写的人机交互操控界面组 成，可完成数据的采集存储、管理与分析以及报表的自动生成， 通过ＲＳ一２３２串口与协调器连接，实时监控整个系统的各节点 采集到的数据。图５和图６为监测系统中某一个传感节点的 ｐＨ值和电导率的实时采集显示界面。 图５ ｌａＩ＇Ｉ值实时采集显示界面 ４采集传输实验与结果分析 试验场地选择南昌大学龙腾湖，在湖中放置传感器节点 后，分别给协调器和传感节点上电，很短时间后（下转第６８页） ６８ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊｕｎ．２０１２ 为求出，Ｊ点的实际气体泄漏浓度，根据高斯模型的对称性有 Ｅ＝ Ｄ 则 Ａ＝ ￡一 Ｅ （１５） 根据中华人民共和国轻工行业标准ＱＢ１１４１－－１９９１ 《气 （１４） 体打火机的检验规程》，当检验样本数量为１０ ００１—３５ ０００支 时，抽样取样２００支，检出不合格品数量为２１支的情况下判定 此批次不合格。由上述测试结果可以看出，该算法的漏检率和 为气体探测器探测浓度， 已知，由式（１５）即可求出 ，误检率符合标准规定。 ５结束语 即Ｌ点的实际气体泄漏浓度。同理，可求出 点与Ⅳ点的 实际气体泄漏浓度。由此判定 点和Ｍ点处为泄漏打火机，有 针对传统人工检测的不足，在个体行为数据聚类的双重混 效消除了泄漏打火机对相邻合格打火机检测造成的干扰。 ４测试结果 ４．１试验室测试结果 合高斯模型算法假设基础上，提出基于动态检测的双重算法。 算法成功地捕捉了具有多峰值特征的单支打火机微量气体泄 漏量信息，有效地判断了气体的泄漏浓度、泄漏位置。试验证 在试验室中，在每个温度条件下，分别检Ｎ５ ０００支打火机， 明：在该实验室条件下，该算法漏检率保持在０．０６％左右，误检 率优于０．２７％；工业现场环境下，漏检率优于０．０６％，误检率优 于０．１８％，满足了对打火机微量气体泄漏自动化、批量化的检 测要求，为打火机微量气体泄漏检测提供了一种高效、可靠的 途径，同时为检测小型密封容器的密封性能提供借鉴。 设置其中３００支（总数６％）为泄漏打火机，记录各温度值对应 的漏检率和误检率，测试结果如图４所示。在２０—３０ ｃＣ条件 下漏检率保持在０．０６％左右，误检率优于０．２７％。 参考文献： ［１］ 戴涛，骆科东，李春平．个体行为数据聚类的双重混合高斯模型算 法．计算机应用，２００４，２４（８）：４４． 【２］ＤＯＮＧ Ｓ ｘ，ＢＡＩＦ Ｍ。ｒＡＮ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｖａｃｕｕｍ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｇａｓ ｌｅａｋ ｄｅ— ｔｃｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｄｆｉｖｅｎｓｏｕｎｄ—ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃａｖｉｔｙ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００４，８４（２１）：４１４４—４１４６． ［３］ ＭＡＺＩＮＧＵＥ Ｔ，ＥＳＣＯＵＢＡＳ Ｌ，ＳＰＡＬＬＵＴＯ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ＺｎＯ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ｂｕｔａｎｅ．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００５（９８）：０７４３１２—１． 图４试验室测试结果图 ［４］ 黄春，段小强，汪献忠，等．ｓ 气体智能检漏仪的设计．仪表技术 与传感器，２００９（４）：１４１—１４２． ４．２现场测试结果 在现场选择典型工况进行设备测试，测试结果如表１所 示。可以看到，在２５℃的常规工况下，漏检率优于０．０６％，误 检率优于０．１８％。 表１现场测试结果表 ［５］ 魏广芬，唐祯安．基于信号奇异性的气体泄漏快速检测方法．仪表 技术与传感器，２０１０（２）：１０８—１１０． ［６］郝魁红，王化祥，何永勃．ＴＧＳＳ１３气敏元件低温特性及其非线性 分析．电子元件与材料，２００４，２４（３）：２６—２８． ［７］ 平措．大气污染扩散长期模型（ＩＳＣＬＴ３）及其应用尝试．安徽农业 科学，２００６，３４（４）：７４３—７４５． ［８］ ＱＢ１１４１—１９９１中华人民共和国轻工行业标准． 作者简介：白广宇（１９８６一），硕士，主要研究方向是测试计量技术及精 密仪器。Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｇｙ１９８６１ １２７＠ｇｍａｉｌ．ＣＯＢ （上接第６５页）协调器ＬＥＤ闪烁表示传感节点已经加入由协 调器建立的无线传感网络并成功绑定（组网成功），按照节点和 协调器设定程序，几秒后传感节点向协调器发送ｐＨ和电导率 水质监测数据，协调器收到数据后通过串口将信息传输至Ｐｃ， 在监控终端Ｐｃ上显示，实验设定发送周期为１０ Ｓ发１次，实验 实时ｐＨ值和电导率值如图５和图６所示。组网快捷，结果稳 定，说明了无线传感网络水质监测节点设计成功有效。 ５结束语 基于ＺｉｇＢｅｅ技术和ＣＣ２４３０设计了无线传感网络水质监测 系统，完成了系统节点软硬件设计，并进行了试验。结果表明： 无线传感网络水质监测节点能够可靠地采集、处理、分析和传 输水质监测数据，系统能够实现无线水质监测，为通过与其他 传感技术相结合和全面系统完善，进行全面的水质监测和远程 监测应用提供了基础技术支撑。 参考文献： ［１］周宇，景博．基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的嵌入式远程监控系统． 仪表技术与传感器，２００８（２）：４７—５５． 。 ［２］郭渊博，杨奎武，赵俭，等．ＺｉｇＢｅｅ技术与应用——ｃｃ２４３Ｏ设计、 开发与实践．北京：国防工业出版社，２０１０． ［３］ 高守玮，吴灿阳．ＺｉｇＢｅｅ技术实践教程——基于ＣＣ２４３０／３１的无 线传感器网络解决方案．北京：北京航空航天大学出版社，２００９． １４］ 于金涛，韩柯，姜海涛，等．基于ＣＣ２４３０的无线传感器网络系统节 点设计，哈尔滨商业大学学报（自然科学版），２０１０（４）：１９２—１９５． 作者简介：刘继忠（１９７４一），博士，副教授，主要研究方向为超声检测、 机电一体化等。Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｉｚｈｏｎｇｌ＠１６３．ｃｏｎ 图６ 电导率实时采集显示界面
