才通信基于ZigBee水质自动监测无线传感方案

根据现阶段对水质自动监测无线网络节点的功能要求，搭建了一个水质自动监测无线网络节点平台，可以满足不同的监测环境的监测需求，只需更换相应的传感器。水质自动监测无线传感网络节点的核心模块由主控MCU MSP430和ZigBee通讯模块CM210组成。 

1 引言 

水质自动监测技术具有及时、准确、有效的特点，近年来，在许多国家地表水质监测中得到了广泛的应用。本文针对地表水质自动监测问题，提出了水质自动监测无线传感网络节点设计方案，利用ZigBee无线传感网络和MSP430主控芯片对水质监测节点软硬件各个模块进行了设计，以实现多功能水质监测与采集、ZigBee网络传输及监测数据收发几部分功能，为同类型的无线传感网络环境监测产品提供了可兼容的节点平台。

2 水质自动监测节点设计需求 

本文提出的水质自动监测节点主要应用于建立野外大范围、具有自组网络、动态拓扑、多跳传输和自修复功能的ZigBee无线水质自动监测传感网络，如图1所示。

图1 ZigBee无线水质自动监测传感网络示意图

水质自动监测网络节点将采集到的水质监测数据通过增强型ZigBee接收转换器传输到近端的监测基站或远端的水质监控中心后，将由监测管理计算机负责对数据进行数据整理、数据分析比较与数据存储工作，数据分析过程中发现异常数据将会发出报警信号，提示操作人员注意对应区域的环境异常，实现远程实时监测。

各水质自动监测无线传感网络节点单元根据水质监测要求，可安装在河流、水库、工业废水排污口等指定地点，以野外无人值守方式工作，通过水质监测传感器采集含氧量、混浊度、COD、BOD、pH值等数据信息，通过无线通讯网络上传到上级监测站进行处理。建立一个可以组合不同的水质监测传感器，形成针对不同测试环境可任意组合的多功能水质自动监测无线传感网络节点平台，设计需求如下：

1）多种指标监测：依据各行业废水污染源主要在线监测指标可知，对不同的区域实施监测，所需要测量的水质指标不同，通常需要同时监测多种水质指标，并要求根据不同测试环境选择选择不同的传感器组合配置；

2）节点电源模式：由于监测网络节点安装在户外，节点分布较散，只能采用内部电源供电，为延长内部电源的工作周期，监测网络节点必须具备节能工作的功能；

3）多拓扑多节点无线通讯：对某片水域的水质监测需要在目标流域内布置大量监测无线网络节点，各节点将采集到的水质监测数据传送到中央控制系统，完成目标流域的数据采集。节点的空间分布在不同的监测环境中差异较大，例如对水库湖泊环境的监测，需要将大量监测节点在水域内均匀分布，对江河流域水质的监测，需要将大量监测节点沿着河流沿岸分布，形成链状结构。因此要求监测网络节点可实现多种拓扑结构连接，并实现多节点通讯的功能；

4）设备成本：由于监测无线网络的布网需要大量监测网络节点，因此应考虑成本问题，尽可能精简设计，降低单个节点的成本。

3 水质自动监测无线网络节点设计 

3.1 水质监测节点总体设计 

水质自动监测无线传感网络节点的核心模块由主控MCU MSP430和ZigBee通讯模块组成，主控芯片外围连接若干种针对不同监测项目的水质监测传感器，通过不同水质监测传感器的组合形成针对不同测试环境可任意组合的多功能水质监测无线传感网络节点；ZigBee网络管理和数据收发主要由CM210模块负责，利用Z-Stack协议栈的API接口，模块实现了ZigBee无线网络的动态组网、网络自恢复、数据发送和数据接收等任务；水质监测传感器模块的接口按照标准的工业通讯接口设计，保证设计的标准化和平台化，具有良好的可扩展性。水质自动监测无线传感网络节点框图如图2所示。 

图2 水质自动监测无线传感网络节点框图

3.2 水质监测节点硬件设计 

3.2.1 主控MCU

水质自动监测节点中主控MCU的选择是至关重要的，本设计中，监测网络节点核心模块的主控芯片选用16位单片机MSP430F147。 MSP430系列单片机具有强大的处理能力和超低功耗的特点，尤其适用于使用电池供电，要求长时间工作的场合。本设计方案在MSP430单片机最小系统的基础上，通过8通道ADC、RS422总线接口和I²C总线接口分别实现传感器输出的模拟信号采集、串行数据采集和I²C数据采集；通过 I/O口驱动的MOS管，负责控制传感器模块的电源，在采集停止或长期休眠状态下关闭传感器模块电源，减小系统的电流消耗；通过UART接口与ZigBee模块通讯，负责监测数据的无线发送与命令接收。

3.2.2 ZigBee通讯模块

ZigBee无线通讯模块选用ZigBee处理芯片CM210，该芯片是专为ZigBee及IEEE 802.15.4应用设计的SoC芯片。CM210适用于有低功耗工作需求的设备，具有多种低功耗操作模式，通过设置芯片内部的电源管理控制器可关闭芯片部分内部时钟和射频模块的电源，使芯片进入不同程度的低功耗模式，并且可以在各种低功耗模式间进行快速切换，进一步降低电流损耗。

CM210的8051内核通过芯片中设置的RF指令集处理数据收发、中断、DMA和FIFO等硬件抽象层的工作。CM210在应用层到硬件抽象层之间加入了Basic RF层，对CM210进行ZigBee数据传输的编程时，利用Basic RF层提供的通讯API函数，可以极为便捷地实现用户的程序工作量，无需进行硬件抽象层的各种繁杂设置和状态处理。

3.2.3 传感器接口模块

水质自动监测节点的传感器模块接口按照标准的工业通讯接口设计，保证系统的标准化和平台化，具有良好的可扩展性。监控节点传感器接口结构如图3所示。针对模拟接口传感器，主控模块为传感器预留了8通道AD接口，可以连接8路4-20mA、1-5V的模拟接口传感器；针对数字接口传感器，主控模块设计了RS422总线接口和I2C总线接口，以后还可以利用MSP430的剩余资源扩展出SPI接口，总线接口可以连接多个传感器。

图3 水质监控节点传感器接口

出于低功耗设计的考虑，加入传感器模块的电源控制电路，通过I/O口控制MOS开关管，在系统休眠时切断传感器电源输出，以减小低功耗模式下的系统电流损耗，延长设备工作时间。当节点进入监测状态时启动传感器模块电源，上电保持10秒后开始采集数据并发送，采集完成后通过MOS管切断传感器供电，MSP430与CM210再次进入休眠状态。

3.2.4 电源模块

结合水质自动监测无线网络节点电源系统要求低功耗、长时间工作、低成本的特点，节点电源选择了锂亚硫酰氯电池ER34615。相比铅酸蓄电池的能量比小，重量大，对环境腐蚀性强，电解液需要定期维护，以及太阳能电池成本高，体积大而言，锂亚硫酰氯电池具有高性能、高可靠性、工作温度范围广等特点。在本设计中，节点核心模块CM210和ZigBee采用低功耗设计，在节点采集、传输数据时进入工作模式，传输完成后进入节能模式，可大幅度降低系统的能量损耗，配合高能量密度的锂电池使用，可以满足长时间工作的要求，且可以有效降低节点的体积和重量。

3.3 水质监测节点软件设计 

基于无线传感网络的监测节点主要利用MCU MSP430和ZigBee通讯模块CM210负责信息的采集控制与无线网络传输。MSP430负责采集节点上各个水质监测传感器的数据并对每个数据进行测量值到理化值的数据转换，将计算结果进行粗比对，判断是否有数据超标，有则先向监测基站发送相应的警报命令，再按一定格式打包，通过UART接口发送到ZigBee模块进行传输；ZigBee模块由监测基站或远端监控中心发送初始化自组网命令和自恢复命令，实现初始组网与自动检测恢复，负责网络组网与连接。软件工作流程见图4。 

图4 节点软件流程图 

在调试模式下对当前节点上各个输入端口的传感器类型进行设定，存储到片内FLASH；在调试模式下对传感器精度进行标校，将数据转换公式及标校参数存储到片内FLASH；在模块初始化时读取外部模块初始数据，判断各功能模块通讯与工作是否正常。

另外，MSP430会将当前节点上各个输入传感器的类型、数据转换公式和标校参数存储在片内Flash，例如接口1为pH值监测传感器，SensorType[1]=0x01；接口2含氧量监测传感器，SensorType[1]=0x02；接口3为浑浊度监测传感器，SensorType[1]=0x0d；这些寄存器值在程序中预先定义并在节点配置时根据实际连接情况设置。处理程序根据SenserType的设定值为每个传感器输入数据选择相对应的转换公式进行处理。转换公式的参数，即传感器的标校参数，在调试状态下进行逐一标定并存储，以使每路传感器的采集精度达到设计要求。

4 性能分析和总结 

本文将无线传感网络与水质监测相结合，利用ZigBee无线传感网络实现自组网与通讯，而使水质监测节点可以大范围铺设，实现了对水质监测的远程实时掌控。CM210的低功耗设置，使节点工作时间有效延长。本设计采用增强型ZigBee模块，增加了射频发射功率，保证了节点间通讯距离达到3公里，满足野外大范围组网的需求。但是当数据节点间隔较远且节点到定位点之间需要经过多跳路由时，不能保证定位精度，如果需要获取精确的节点位置信息，还需要通过GPS设备，建立基于GIS的水质监测分析管理数据系统。