王霞俊，周大农，袁 锋

（常州轻工职业技术学院，江苏 常州 213164）

传统的污水排放监测系统，由提携式或定点安置在监测区内的传感设备，先进行各种水质参数（如浊度、pH 值、温度等）测量，将采集到的模拟量转换成数字量后，进行存储、分析，再通过有线或无线的方式，与监控端进行通信。这种传统方式面临许多问题，当监测区域很大、环境复杂时，将会大大增加系统的生产、安装成本，同时维护也比较困难。

随着无线技术、有线技术以及新型传感技术的高速发展，污水排放监测系统正向着自动化、实时化、智能化、无线化、低功耗等方向发展。

由于无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）具有覆盖范围广、距离远、精度高、快速布网和生产安装成本低以及对生态环境影响小等优点，现在已经广泛应用于环境监测、军事等许多领域[5]。把无线传感网络技术应用到污水排放监测系统中，是人们近几年来研究的热点。

针对传统污水排放监测系统的监测耗时、监测信息处理实时性差、监测能力不足的现状，设计了一种基于无线传感网（WSN）技术与GPRS/3G 技术的污水在线监测系统。在城市污水排放口，设置由水质传感器组成的无线传感网络，采集城市污水的多种水质参数，并通过GPRS/3G 等无线技术实现远程传输。这样在传统污水监测系统的基础上，只要少许改动，就可以实现对城市生活污水排放区域的有效监测，同时生产、施工和维护的成本也较低。

1 系统总体设计

基于无线传感网（WSN）的污水排放在线监测系统，整体架构主要由前台和后台两部分组成。前台的主要任务，是区域内多种污水水质参数数据的采集和发送，主要由多个传感器节点、少量网关组成。传感器节点，负责污水水质参数数据的采集，然后发送给网关。网关节点负责收集各传感器节点发送过来的水质参数数据，整合后通过Internet、GPRS/3G 等发送给后台。除了负责对网络的监视、维护工作外，后台的数据监控中心更重要的作用，是负责对前台采集并通过网络传送回来的各种污水水质参数数据进行存储、加工与分析处理。

系统总体方案设计如图1所示。

图1 基于无线传感网的污水排放在线监测系统总体架构图

1.1 数据采集模块

主要由各种能够检测水质的物理、化学参数，如pH 值、水温、色度、浑浊度、透明度、电导率、重金属、溶解氧等的水质参数数据采集传感器节点组成。主要作用是完成各种水质参数的采集。除了各种水质参数传感器，参数采集节点还包括信号调理电路、A/D转换电路、微控制单元MCU 和无线收发器。作用是控制并把水质传感器采集的数据模拟量转换成相应的数字量，然后通过无线收发器发送给网关。

1.2 无线传输通信模块

由于数据采集区域的数据量会比较集中，需要一个设备来集中收集这些参数数据。网关节点就是完成这个功能的设备，可以完成对来自多个污水参数采集传感器终端发来的污水数据进行整合。从网关节点到监控中心，距离一般都比较远，可采用现有的相对低廉、传输速率较高、性价比较高的GPRS、3G等网络进行远程数据传输。该模块主要是指带GPRS功能的网关，一方面通过WSN 收集参数采集节点发送过来的各种水质参数，同时也要通过GPRS 网络，实现与远程监控中心的上位管理机的连接，以实现污水水质参数的长远距离传输。

1.3 远程数据监测中心

主要由远程上位管理计算机及数据管理软件实现对监测系统上传的污水水质参数进行处理，实现实时数字化、图形化显示，实现对水污染源进行远程连续在线自动监测。

2 硬件设计

污水水质监测无线传感网，是区域分布的，包括有：传感器部分、数据处理部分、通信模块功能的节点，通过自组织方式连接在一起构成的自组织无线网络。无线传感器网络具有监测精度高、可远程监控、覆盖范围大、容错性强等许多优点。该网络中节点的硬件设计，要求成本低，功耗小，寿命长[5]。因此，单个网络节点的设计，硬件部分必须采用功耗低、成本低的成熟芯片；软件部分必须支持多跳的路由协议，必须能够满足监测较大范围的要求。

在商品化水质传感器的基础上，自主研发了基于嵌入式系统的污水水质监测数据采集系统，通过多种标准接口与多种类型的在线分析仪器和传感器连接，完成水质实时数据的采集、分析与传输。

本系统中的传感器节点，其硬件包括：数据处理单元（MCU 微控制单元，如LPC2220，存储器）、传感器单元（如pH 传感器等多种传感器）、一到两个通信模块单元（如基于Zigbee的CC2420/CC2430 无线收发芯片、GPRS/3G 模块、I/O 接口）以及电源供电模块单元。为保证传输的可靠性，可以采用统一的传输协议。

汇聚节点的硬件部分主要包括：数据处理单元（MCU 微控制单元）、两个基于Zigbee的无线收发通信模块单元及相应电源供电控制管理模块组成。为了提高对数据的处理、转发能力，网关（sink）节点就可以不含有传感器单元，同时由于网关节点一般距离监控中心较远，必须包括一个可以远距离传送数据的GPRS/3G 单元。所以网关节点的硬件包括：数据处理单元（MCU 微控制单元）、一个基于Zigbee的无线收发通信模块单元、一个远距离通信单元（如GPRS/3G模块）及相应电源供电管理单元（如图2所示）。

图2 参数采集节点电路原理图

2.1 微控制单元MCU

微控制单元（MCU）除完成污水水质数据采集并将该模拟信号转换为相应数字信号的功能外，还要能够在线实时数据分析、处理，然后存储- 转发给远程的数据监控中心。所以，MCU 要具有足够强的性能才能满足要求。

在课题设计的系统中，目前选用的是飞利浦公司的LPC2220，该芯片是属于ARM7TDMI 系列的微处理器。LPC2220 是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的32/16位ARM7TDMI-S CPU。对代码规模有严格控制的应用，可使用16位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。片内128 宽度的存储器接口和独特的加速机构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行。LPC2220 有144 脚封装、2个32位定时器、8 路10位AD转换器（转换时间低至2.44 μs）、6 路PWM 输出以及多达9个外部中断管脚。通过配置总线LPC2220 最多可提供76个通用I/O 口。多个串行接口包括2个16C550 工业标准UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2个SPI 接口。CPU 内核工作电压范围1.65～1.95 V（1.8V± 0.15 V）、I/O 操作电压范围3.0～3.6 V（3.3V±l0%）。

由于丰富的功能模块、众多的引脚资源、极低的功耗，使得LPC2220 特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（POS）、通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其他各种类型的应用。

2.2 Zigbee 通信模块

本系统中Zigbee 通信模块，采用CC2430 来实现。CC2430 是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案[11]，能够提高性能，并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用。

CC2430 芯片包含1个8051 微控制器、128 kB闪存、8 kB RAM、ADC、Timer、AES128 协同处理器、Watchdog timer、32 kHz 晶振休眠模式定时器以及21个可编程I/O 引脚。

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作电流损耗为27 mA；接收和发射电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 可以在休眠模式和主动模式之间转换，而且转换时间超短，特别适合对电池寿命要求非常长的应用。

CC2430 与LPC2220 MCU的典型应用电路连接图，如图3所示。

图3 CC2430 与LPC2220 MCU 连接图

2.3 GPRS 无线通信模块

GPRS 是利用GSM 网络中未使用的TDMA 信道，可以实现提供中速的污水水质参数的数据传输。

本设计采用SIMCOM公司的SIM300C 芯片[8]。该芯片功能强大，操作简单，性价比高。其内嵌TCP/IP协议栈，支持GSM/GPRS 模式。LPC2220的P2.0（98）连接SIM300C的PWRKEY 引脚，以控制SIM300C的开、 关 机。 LPC2220的P0.0 （42）、P0.1（49）（UART0-TxD0 RxD0）分别与SIM300C的RxD 和TxD 引脚连接，以实现板间数据的收发。

微控制单元（MCU）LPC2220 与GPRS 无线通信模块SIM300C 芯片的硬件电路连接图如图4所示。

图4 GPRS 模块与MCU 连接图

2.4 数据通信帧格式

CC2430 是一款真正符合IEEE 802.15.4 标准的射频收发芯片。其硬件已经可以支持一部分IEEE 802.15.4数据帧格式。数据帧格式如表1所示[5]。

表1 数据帧格式

IEEE 802.15.4数据帧格式，主要有8 部分组成。前导码序列字段长度为4 字节。帧开始分隔符字段长度为1 字节。物理帧头的长度为1 字节，帧控制字段为2 字节、序列号部分为1 字节，地址部分为6 字节，包括目的地址、源地址和个人区域网身份识别号码，帧实体部分为待发数据段，帧校验序列（FCS）为2字节。

3 软件设计

传感器节点、网关节点的工作流程如图5所示。

图5 传感器节点、网关工作流程图

传感器节点在开机后，首先进行自检，MCU 初始化，协议栈初始化。为了实现低功耗，系统设置了两种模式。初始化之后，判断节点所处的工作模式。如处于采集模式，则接收网关节点的采集指令，启动数据采集程序进行水质参数的采集，并存储数据，然后启动发送任务把数据发送给网关节点。采集、发送完所有数据后，并且得到网关的接受确认后，该节点就转入MCU 睡眠节电模式。若无数据采集、发送任务，则设置外部时钟电路，节点转入MCU 睡眠节电模式。

网关节点在初始化之后，判断节点所处的工作模式。若目前处于接收模式，则启动接收程序并接收、存储数据。若是处于发送模式，则设置启动GPRS发送，建立与远程管理计算机的TCP/IP 连接。之后设置外部时钟电路，转入MCU 睡眠节电模式。

上位管理软件运行在远程监控中心的计算机上，采用Winsock 控件实现，可以实时实现对基于WSN、GPRS/3G的上传的污水水质参数数据的数字化、图形化接收、显示、存储和控制等。

4 结束语

本文在总结已有研究成果的基础上，将无线传感网技术应用于城市污水排放环境监测中，综合运用有线无线网络技术、嵌入式技术、专家系统、智能辅助决策等关键技术，构建了一个基于无线传感网的污水排放在线监测系统。

该系统具有覆盖范围广、远程可监控、监测精度高、节点能自组、快速布网和生产安装成本低以及对生态环境影响小等特点，可以广泛应用于许多行业，有一定的实用价值与推广价值，市场前景广阔。

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[11]百度百科:CC2430[EB/OL].Http://www.baidu.com/view/17 35618.htm