摘要：針對傳統(tǒng)水質監(jiān)測方案布線困難、成本高等不足，設計了一種基于物聯(lián)網的水質在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溶解氧、PH值、溫度等多參數(shù)的采集、傳輸、處理。該方案便于遠程監(jiān)測，適用于飲用水及養(yǎng)殖業(yè)水質監(jiān)測等領域。
關鍵詞：傳感器；水質監(jiān)測；ZigBee；GPRS

0 引言
    為了徹底解決傳統(tǒng)人工水質監(jiān)測及DCS、現(xiàn)場總線方式在管理及應用上存在的布線困難、成本高等不足，本文提出了以智能水質傳感器、無線傳感器網絡、專家?guī)鞌?shù)據(jù)庫為核心的物聯(lián)網水質在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過分布式動態(tài)組網，可實現(xiàn)大范圍、24 h不間斷的監(jiān)測，同時通過布設在水源地具有定位功能的無線傳感器節(jié)點，能夠偵測到飲用水源的污染情況，從而提高管理效率、保障供水安全，解決飲用水及養(yǎng)殖業(yè)水質在線監(jiān)測和管理問題。

1 系統(tǒng)結構及工作過程
    本系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。系統(tǒng)在水源地布置多個水上節(jié)點(水質參數(shù)采集節(jié)點、遠程視頻采集節(jié)點、水質參數(shù)調節(jié)節(jié)點、ZigBee+GP RS無線網關)，然后通過水質參數(shù)采集節(jié)點實時采集PH值、水溫、水位、溶氧量等水質參數(shù)，并通過ZigBee Endpoint上傳給無線網關的Zig Bee Coor dinator，再由后者經串口送入GPRS傳送到服務器；同時通過IPCamera(網絡攝像機)采集水面視頻信息，由3G方式送入(移動)服務器。運行于服務器上的信息管理系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，并根據(jù)飲用水用水管理要求實時預警、告警，自動下發(fā)控制指令到GPRS無線網關，然后由ZigBee網絡下發(fā)指令到水質參數(shù)調節(jié)節(jié)點，啟動增氧機或PH值調節(jié)設備、水泵等，實時調節(jié)用水參數(shù)。管理人員則可通過PC、平板電腦或PDA等方式獲取實時水質數(shù)據(jù)，并對設備進行遠程控制。

2 硬件電路設計
2．1 水質傳感器選型
    以養(yǎng)殖用水為例，一般需要對水環(huán)境中的PH值、濁度、水位、溶氧量、溫度等五項基本參數(shù)進行監(jiān)測。本系統(tǒng)選用北京聯(lián)創(chuàng)與中國農大開發(fā)的、具有測溫和溫度補償功能的PH10、TS10、WL10、DO10四類智能傳感器來對水的PH值、濁度、水位、溶氧量、溫度等五項參數(shù)進行監(jiān)測。四類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量原始值、溫度值、工程值等三個參數(shù)，因而可以大大簡化感知層的設計工作。
2．2 CC2530節(jié)點的接口電路設計
    本系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點選用成都感智信息技術有限公司的CC2530節(jié)點，該類節(jié)點帶有CC2591增益放大模塊，最遠通汛距離可達1 km。由于CC2530不支持RS485通訊，因而需要設計RS485轉3．3 V TTL電路，圖2所示就是CC2530無線節(jié)點與RS485傳感器的接口電路。其中，5．0 V直流電壓主要為傳感器供電，3．3 V直流電壓為CC2530節(jié)點供電。通訊接口轉換芯片選擇MAXIM公司的MAX13487，光耦T1、T2用于CC2530與RS485總線的隔離，R8、R9用于采樣電源電壓以便服務器端能實時判斷節(jié)點的供電情況，R5、R6、R7、C5、C6、D1、D2、D3、L1、L2等為RS485總線匹配電路。

2．3 增氧機控制電路設計
    系統(tǒng)中的增氧機控制電路如圖3所示，CC2530節(jié)點通過P0．1控制光耦T1，并驅動Q1控制繼電器J1，從而控制增氧機電源的通斷，達到啟動／停止增氧機的目的。

    另外，還需要設計系統(tǒng)傳輸層無線網關，一般的傳輸層無線網關應當內置有CC2530通信模塊、S3C2440控制器、MG323 GPRS通信模塊，并設計有存儲、電源管理，以及以太網接口。

3 軟件設計
    本系統(tǒng)的軟件由感知層WSN軟件子系統(tǒng)、傳輸層ZigBee／GPRS軟件子系統(tǒng)和應用層水質信息管理系統(tǒng)等三部分構成。
3．1 感知層WSN軟件子系統(tǒng)
    感知層WSN軟件子系統(tǒng)是根據(jù)表1所示的通訊協(xié)議，基于ZigBee 2007Pro開發(fā)的具有自組網功能的星型網絡。其中，幀類型主要有節(jié)點入網、獲取網絡參數(shù)、獲取傳感器參數(shù)、調節(jié)水質參數(shù)等。表1所列是系統(tǒng)的WSN數(shù)據(jù)幀格式。表2和表3所列是其水質傳感器的通訊幀格式。只要在下行鏈路中下發(fā)指定格式的指令，便可通過上行鏈路獲取到如表3所列的返回數(shù)據(jù)，進而提取出原始值、溫度值、工程值等參數(shù)。

3．2 傳輸層ZigBee／GPRS無線網關軟件子系統(tǒng)
    ZigBee／GPRS無線網關用于完成管理控制、協(xié)議轉換以及數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，可以支持WSN網絡數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee及GPRS接入，從而橋接WSN與互聯(lián)網。
3. 3 應用層水質監(jiān)控信息管理系統(tǒng)
    應用層水質監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B／S架構設計，通過WebService提供面向ZigBee／GPRS網關和用戶的服務。WebService服務接口提供的主要服務接口如表4所列。

    應用層數(shù)據(jù)決策由專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)，它由知識庫、推理機、解釋器、人機界面、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成。主要子系統(tǒng)包括水質環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、專家決策及知識查詢子系統(tǒng)、系統(tǒng)配置子系統(tǒng)、在線技術支持子系統(tǒng)等。

4 結語
    本文基于水質傳感器、GPRS、ZigBee等技術手段設計了一套水質實時監(jiān)測系統(tǒng)，能對大范圍水面進行PH值、濁度、水位、溫度、溶解氧等水質參數(shù)的監(jiān)測。在感知層中，本系統(tǒng)提供有開放的協(xié)議進行擴展，只要在CC2530節(jié)點上配置以不同的傳感器，便可對系統(tǒng)的監(jiān)測進行擴展；而在傳輸層，則利用3G網絡和ZigBee／GPRS網關的開放性，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸；在應用層中，系統(tǒng)通過WebService提供面向ZigBee ／GPRS網關和用戶的服務，同時，本系統(tǒng)還可以方便地進行傳感器的配置、增減和數(shù)據(jù)展示。