范利平，王志坚

(南通大学理学院，江苏 南通 226007)

随着现代工业的发展，水危机、水污染、水矛盾的问题日显凸出，快速、自动和准确检测水质显得尤为重要.本文在对水质监测的新技术的研发方面进行了初步探索，采用以ZigBee技术为基础构建了无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)，并用该网络技术组建了水质参数采集的无线通信网络，结合GPS定位技术采集网络汇聚节点的地理位置信息，利用GPRS技术建立了无线传感器网络与外部网络的通信，利用WEB服务器搭建了远程监控平台，可实时显示水质状况以及对数据进行分析统计等，实现对水质各参数的实时连续监测和远程监控.该传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理中心［1］.

1 设计方案

系统由ZigBee无线传感器网络(由ZigBee无线传感器终端节点、汇聚节点和ZigBee协调器组成)、GPRS传输网络和基于WEB的远程监控平台组成［2］.系统的网络结构如图1所示.可对多个水域进行监测，每个水域包括多个监测区域，在各监测区域放置传感器节点，采用CC2430无线射频芯片，每个水域放置一个网络协调器.

传感器节点采集的数据通过ZigBee无线通信协议传输至协调器，经协调器节点进行ZigBee协议数据解包，通过GPRS发送到监控中心;反之，由监控中心发来的控制信息，经GPRS模块接收数据，再由协调器节点将数据封装成Zig-Bee协议数据，经ZigBee无线射频芯片发送到ZigBee网络中.GPS模块通过串口与CC2430连接，获取汇聚节点的地理位置等信息.

2 硬件设计

2.1 ZigBee无线通信模块

本系统的ZigBee无线通信模块采用CC2430无线射频模块.CC2430整合了ZigBee射频 (RF)前端、内存和微控制器.它功耗低，支持ZigBee协议.

图1 系统的网络结构

2.2 传感器

2.2.1 温度传感器

本系统的温度传感器采用的是TC77串联可访问数字温度传感器.TC77含有一个12位带正负号的ADC，一个内部转换振荡器以及一个串行输入/输出端口，和TC77之间的通信通过SPI和MICROWIRE可兼容接口完成，可以实现与普通微控制器以及处理器的简单通信.

2.2.2 pH 值传感器

本文选用的PH电极是E－201－C型复合电极.由于PH测量传感器的内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，系统选用运算放大器 CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等.其余普通运放选用LM358.信号处理电路如图2所示.PH电极输出信号从CA3140的同相端输入经过放大和两次低通滤波后进行A/D转换，A/D转换范围为0—3.3V.调节Rp1和Rp2可改变输出电压值.

图2 信号处理电路

图3 拟合结果

电极输出原始信号为－414.12mV的直流电压信号，被测液体的PH值与产生的电势成反比［3］.拟合结果如图3所示.f(x)= －0.8875*x+7.623(x 为 PH 值，f(x)为 PH 电极经信号处理电路后输出电压).

2.2.3 GPS 模块

GPS模块只要处于工作状态，不断地把接收并计算出的GPS导航定位信息通过串口传送至CC2430中.GPS模块每秒输出一次$GPRMC推荐定位数据.

在本次设计中，系统需要的GPS有效信息包括:经纬度信息和系统时间.根据GPRMC语句格式，提取有效信息时以‘，’分隔信息段的特点，制定清点语句中‘，’数目的算法来进行位的查询［4］.

3 基于WEB的远程监控平台

基于WEB的远程监控平台是运行在WEB服务器上的一套网络应用程序，用于数据管理与应用，采用Ajax技术实现网页的动态无刷新，用户只要通过客户端浏览器即可访问此WEB应用程序.

3.1 GPRS网络通信

传感器终端节点采集到数据后，经过预处理，按照应用协议约定好的格式将数据打包，然后传给GPRS终端的TCP/IP协议栈，用AT命令控制发送数据，采用AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收.数据包协议如下所示(表1).

表1 数据包协议

远程终端利用GPRS拨号上网建立连接后，会动态得到一个IP地址.由于采用动态地址分配技术，当GPRS掉线后，这个地址将会被收回.第二次GPRS拨号建立连接后，终端将重新获得另一个IP地址，两个地址是不同的.获取了动态的IP，使得数据采集与远传系统在GPRS网络中具有一个临时地址，这样就能够通过套接字(Socket)网络编程方式与远端的监控系统建立连接并传输数据［5，6］.套接字通信示意图如图4所示.

图4 套接字通信示意图

3.2 WEB应用程序设计

该监控平台采用Ajax技术实现网页的无刷新，提升用户体验.数据库服务软件选用SQL Server2005，主要存储和管理设备信息和实时数据信息，并对接入数据库的用户进行管理，满足用户对实时监控数据和历史数据的查询.数据库内容主要包括主节点(协调器)ID号，从节点(传感器节点)ID号，传感器采集的温度、PH值，时间位置信息等.

监控中心通过浏览器即可访问此WEB应用程序，登录后可以看到传感器采集的当前数据，用户在数据分析页面的历史数据，并将所选时间段的数据与标准数据以曲线图的方式进行对照.网页分别如图5、图6所示.

图5 实时显示页面

图6 数据分析页面

4 结束语

本文在介绍无线传感器网络整体结构和应用的基础上，将Zigbee和GPRS无线通信技术和GPS定位及技术引入到无线传感器网络的设计中，以GPRS为传输的信道把数据传送到监控中心.在监控中心建立服务器数据库，通过WEB进行远程查询监控现场的实时数据.本设计具有通用性、高可靠性、高稳定性等特点，同时可以提高水质监管部门的工作效率和数据采集的精确度，具有较强的实用性.

［1］高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［2］孙雷霸.基于无线传感器网络上的水环境多参数监测系统的研究与实现［D］.镇江:江苏大学硕士学位论文，2009.

［3］刘星桥，曾毓楠，季峰.基于SOC单片机的pH值检测与控制［J］.微计算机信息，2008，(5):99 －100.

［4］刘坚.无线环境监测网络网关节点和数据终端的设计［D］.上海:上海交通大学硕士学位论文，2009.

［5］蒋建虎.基于GPRS和GPS的野外移动环境监测技术研究［D］.南京:南京航空航天大学硕士学位论文，2006.

［6］Sun Z，Cao H，Li H，et al.GPRS and WEB based data acquisition system for greenhouse environment［J］.Transactions of the CSAE，2006，(6):131 －134.