陆 洲，李江华

(1.包头轻工职业技术学院 电子商务学院，内蒙古 包头 014035；2.内蒙古工业大学 信息工程学院，呼和浩特 010051)



农用灌溉水水质监测系统设计—基于无线传感设备网络

陆 洲1，李江华2

(1.包头轻工职业技术学院 电子商务学院，内蒙古 包头 014035；2.内蒙古工业大学 信息工程学院，呼和浩特 010051)

近年来，由于生活垃圾和工业污水的污染，农用灌溉水水体污染严重，较多灌溉区水质发生了很大变化，不再符合农业灌溉标准。为了实现对水参数的监测，提出了一套基于无线传感设备网络的水质监测系统。该系统以无线传感器为基础，通过无线传感设备网络采集水质的pH值、温度及溶氧量等信息，并通过节点完成数据传输与处理，实现对水质环境参数的有效监测。系统以STC15F2K60S2单片机为核心处理器，完成对数据的采集、处理以及通信。试验结果表明：该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低。

水质监测；无线传感；农用灌溉；GPRS模块；STC15F2K60S

0 引言

农业灌溉用水水质检测主要包括温度、含盐量、pH值、有毒害的重金属离子和溶氧量等衡量水污染的因素。本文重点对灌溉用水的温度、溶氧量和pH值进行实时测量和监管。农业灌溉用水水质检测系统主要由无线传感设备节点、路由器网络、单片机及GPRS模块组成，结构如图1所示。

图1 农业灌溉用水水质检测系统总体结构

在农业用水水质检测区，传感器节点和路由器均匀分布，构成一个完整的网络。传感设备节点负责测量灌溉区水质的监测信息，然后由路由器网络将数据通过网络的方式传送至汇聚节点处；汇聚节点接收和处理整个网络节点的数据信息，通过串口方式将数据信息发送至智能处理器，由其将信息进行分析、处理后通过人机界面显示出来，提供可靠的水环境参数信息。汇聚节点的信息也可以通过GPRS无线传输模块发送至远程在线监测中心，或直接给用户提供警告信息。

1 网络节点结构及硬件设计

无线传感器节点主要包括温度、溶氧量和pH值等传感器组成的网络，由路由器网络节点通过串口与处理器中心完成数据的传输和接送；在采集、处理、传输的过程中，还要实时实现与其他网络节点的联系。

1.1 硬件组成

无线传感设备网络节点由多种传感器、调理电路、串行接口、时钟电路、JTAG调试接口和无线传输模块组成。传感器模块主要pH值、温度、溶氧量等水质传感器电路组成；调理电路由放大和AD转化电路组成；单片机模块、无线传输模块和电源电路构成系统的核心处理板。无线传感设备网络节点结构如图2所示， 设备实物图如图3所示。处理器采用STC15F2

K60S2加强型单片机，突出特点是抗扰性强、功耗低、处理速度快、无需外部晶振和外部复位等，特别适用于远程检测现场。无线模块采用微功率、传输频段可调的nRF24L01新型收发器件，功耗低，具有多种低功率工作模式，易于实现低功耗的设计。

为了保证数据监测的准确性和可靠性，传感器模块采用集成模块, pH值和溶氧量检测使用上海罗素公司的pH电极与溶氧电极。pH电极测量范围为0～14，其内部集成了热敏温度，可实现对水温的测量；溶氧电极测量范围为0.0～19.9mg/L，测量精度为±2.5%F.S。

图2 无线传感设备网络节点结构

图3 节点设备实物图

1.2 pH值检测电路

由于pH电极输出的信号为单片机无法采集mV级的数字量，因此需要在检测部分加入一级放大电路。调理电路中采用INA118P运算放大器构成放大电路，放大后的电压信号在0～5V之间。pH检测电路原理图如图4所示。

检测电路输出电压为

(1)

其中，Vin为pH复合电极之间的电压值；R1为可调电阻的电阻值；Vph为发送给单片机检测处理的电压值。

1.3 温度检测

为了节省系统的成本，本研究采用pH电极内部的热敏电阻测量灌溉水水温。在检测电路中，温度检测电路电压输出为0～5V之间，适合单片机采集处理。温度检测原理如图5所示。

图4 pH值检测电路

图5 温度检测原理图

图5中，Rt为热敏电阻，其阻值跟着水温的变化而变化，该电路的电压信号输出值为

(2)

1.4 溶氧量检测

本文采用DO-952溶氧电极测量水中的溶氧量，该传感器能够提供长期稳定、准确、可靠的溶解氧测量数据，具有功耗低的特点，是远程在线环境监测的理想选择。其输出范围为4～20mA，因此需要采用放大电路来为信号进行放大处理。溶氧量检测原理图如图6所示。

溶氧量检测电路采用两级放大，其原理是将电极输入信号加到前级的输入端，经过前级放大后再次加到后级的输入端，再经后级放大。该检测电路的电压输出值为

(3)

其中，Vin为溶氧传感器输出的电压值；R8和R12为可调电阻的电阻值；Vo为发送给单片机检测处理的电压值;K为电压放大倍数。

图6 溶氧量检测原理图

2 GPRS数据传输网络的设计

由于农用灌溉水水质监测各传感器监测点所处位置具有很大的不确定性、分布比较分散、通讯条件极为不便，为了实现监测点数据的上传，在从监测点远程监管中心的网络组建上，最经济的方法是采用GPRS方式。

GPRS是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。GPRS模块在初始化、建立连接、发送指令和收集数据都需要根据协议进行。GPRS数据传输流程如图7所示。

图7 GPRS数据传输流程图

GPRS数据传输过程为：首先进行初始化操作，然后发送AT指令，完成双方协议的认证；在确定PPP连接后，获取IP连接地址，进行数据的采集；最后建立Socker数据库链接，完成TCP/IP数据的发送。

3 软件设计

3.1 微处理器程序设计

STC15F2K60S2单片机软件开发基于Keil C51集成开发环境，采用C语言编程。该软件开发包括传感器节点、路由器网路节点、汇聚节点和GPRS通讯软件等。其中，传感器节点负责水质温度、pH值及溶氧量的采集；路由器网路节点负责数据的传输；汇聚节点则作为基站，同步向远程检测中心发送数据信息。

本文以传感器节点为例，介绍软件模块化设计方法，主要包括传感器节点的初始化、数据采集和通信模块。传感器节点流程如图8所示。

图8 传感器节点流程图

底层传感器每隔30min采集1次水质参数，完成数据采集后立即进入睡眠模式，满足系统低功耗的要求；同时采用定时方式完成数据的传输，在这段时间内汇聚节点可以同时接受和发送数据。当传感器节点收到校准的同步信息时，调整节点的定时时间，然后自动进入低功耗模式，等到下一轮数据采集时才重新唤醒。

3.2 远程监测中心软件设计

远程监测中心软件采用Labview开发，实现对农业灌溉用水水质的检测和管理。单片机通过无线传感器采集数据，并调用外部模块程序将数据以文档的形式进行存储，并通过GPRS的形式将文档发送给远程监测中心。远程监测中心可根据显示界面实时查看灌溉区水参数，种植人员也能以用户登录的方式远程访问互联网查看采集到的数据信息。远程监测中心软件框架如图9所示。

图9 远程监测中心软件框架图

远程监测中心软件主要包括设置、实时监测、数据处理和用户管理4个方面。设置模块主要是对水质标准和数据传输的参数进行设置；实时监测是利用无线传感器网络对水质参数进行采集，当水质不合格时进行报警；数据模块是对采集到的数据信息进行实时的处理和预警；用户管理则可根据工程师和使用人员进行特定的登录权限和访问特定的数据信息。

4 系统实地检测

为了验证基于无线传感设备网络的农用灌溉水水质监测系统的可行性、有效性及稳定性，在某一天将某一灌溉区用水实地检测的数据与专门的检测仪测量结果进行对比分析，测量间隔为30min，判断该系统的准确性。pH值对比结果如表1所示，溶氧量测试结果如表2所示。

表1 pH值对比结果

表2 溶氧量对比结果

由表1、表2可以看出：本系统测量值与专用仪器测量结果大致相同，其中溶氧量相对误差在3%以内，溶氧量相对误差在2%以内，测量比较精准，且系统运行稳定，数据传输丢包率低，符合水质监测标准，能够满足灌溉用水水质参数的实际测量要求。

5 结论

本文研究的农用灌溉水水质检测系统，采用无线传感设备网络采集水质的pH值、温度及溶氧量的参数信息，并可通过汇聚节点实现数据的无线传输和处理，实现水质环境参数的远程监测。实地测量结果表明：该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低，溶氧量相对误差在3%以内，溶氧量相对误差在2%以内。因此，该系统符合水质监测标准，能够满足灌溉用水水质参数的实际测量要求，对实现农业灌溉水质监测具有重要的意义。

[1] 梁玉芬.无线传感器网络农业远程监控系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学,2007.

[2] 祁长璞.基于Zigbee的无线传感器网络在监控系统中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[3] 石权.基于无线传感器网络的温湿度采集系统的设计[D].长春：吉林大学,2008.

[4] 李玲燕.无线传感网络水质监测节点设计与节点部署研究[D].西安：武汉建筑科技大学,2015.

[5] 黄建清,王卫星,姜晟,等.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报,2013(4):183-190.

[6] 樊杰,郭勇.基于物联网技术的成都沙河水质实时监测系统设计[J].物联网技术,2013(6):16-19.

[7] 赵敏华,李莉,呼娜.基于无线传感器网络的水质监测系统设计[J].计算机工程,2014(2):92-96.

[8] 于北瑜.基于物联网的南美白对虾养殖水质在线监测系统研究与实现[J].信息安全与技术,2014(5):88-90.

[9] 朱小红.基于物联网的水质在线监测系统设计[J].黑龙江科技信息,2014(21):136.

[10] 王化建,刘坤,刘鹤,等.基于物联网的水环境在线监测系统的研发[J].电子技术,2014(10): 46-49.

[11] 刘卉,汪懋华,王跃宣,等.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发[J].吉林大学学报:工学版,2008(3):604-608.

[12] 杜治国,肖德琴,周运华,等.基于无线传感器网络的水质监测系统设计[J].计算机工程与设计,2008(17):4568-4570,4592.

[13] 张珏.基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究[D].重庆：重庆大学,2010.

[14] 李金凤,刘丰喜,杨中华，等.基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014(12):3887-3890.

[15] 赵小强,陈升伟,张朋波.基于物联网的水质在线监测系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2015(11):3627-3630.

[16] 卢浩昌.基于FPGA的无线传感器网络低功耗节点设计及实现[D].长沙：中南大学,2012.

[17] 彭东.一种多传感模块无线传感器网络新型节点的设计与实现[D].北京：北京交通大学,2009.

[18] 金海红.基于Zigbee的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究[D].合肥：合肥工业大学,2007.

[19] 张金金,高军伟,张明超.基于S3C2440的无线传感器网络汇聚节点设计[J].工业控制计算机,2012(9):1-2.

[20] 陈龙.无线传感器网络流域水质自动监测系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[21] 曾勋.基于无线传感器网络的水质监测系统的研究与设计[D].南昌：南昌大学,2014.

[22] 李志宇,史浩山.基于ATmega128L的无线传感器网络节点设计与实现[J].计算机工程与应用,2006(27):76-79.

[23] 张丽莉,武中强,张卓.大浪淀水库多参数水质在线监测系统的设计与实现[J].地下水,2010(2):68- 70.

[24] 肖克辉,肖德琴,张杨.基于谓词的无线传感器网络水质达标采样算法[J].计算机工程,2010(14): 16-18,21.

[25] 胡晓刚.一种低功耗无线传感器网络(WSN)数据采集系统的研究与设计[D].武汉：华东师范大学, 2009.

[26] 陈卓,段其昌,张从力,等.基于OPC和Web的水质在线监测系统的设计[J].仪器仪表学报,2004(S2):252-254,263.

[27] 傅林,肖金球,颜丙葵.分布式富营养水质预警在线监测系统设计[J].电子设计工程,2013(22):148- 151.

Design of Water Quality Monitoring System for Agricultural Irrigation Based on Wireless Sensor Network

Lu Zhou1,Li Jianghua2

(1.School of Electronic Commerce, Baotou Light Industry Vocational Technical College, Baotou 014035, China; 2.College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

In recent years, because of life rubbish and industrial sewage pollution, agricultural irrigation water pollution is serious, great changes have taken place in the water irrigation area more, which no longer meet the standards for agricultural irrigation. In order to realize the monitoring of water parameters, this paper puts forward a set of water quality monitoring system based on wireless sensor network equipment. Based on the wireless sensor, through the wireless sensor network equipment acquisition water pH, the system takes temperature and dissolved oxygen and so on information and the node completed data transmission and processing, which realize the effective monitoring of the environmental parameters of the water quality system on a single chip stc15f2k60s2 as the core processor, the data acquisition, processing, and communication.The test results show that the system reaches the goal of measurement precision, stable operation, low packet loss rate data transmission.

water quality monitoring; wireless sensor; agricultural irrigation; GPRS module; STC15F2K60S

2016-05-05

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY16476)

陆 洲 (1981-)，男，内蒙古包头人，副教授，硕士。

李江华(1972-)，男，太原人，副教授，博士，(E-mail)lz_nmg@sina.com。

S274;X832

A

1003-188X(2017)07-0235-05