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推荐 | 基于传感器的水质污染监测系统设计

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摘 要
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为提高传统水质污染监测系统的时效性和易操作性,结合无线传感器技术,设计一种基于无线传感器网络的水质监测系统。首先,根据系统需求,对水质监测系统的整体框架进行构建。然后分别对硬件和软件两个方面进行详细设计,其中硬件设计主要从ZigBee模块最小系统、水质参数采集模块、ZigBee/GPRS网关的接口三个模块进行设计和实现;软件设计则从网络协调器、路由节点和传感器节点三个模块进行设计。最后通过搭建系统软硬件平台,并对系统模块进行串口通信和节点组网实验,以及系统整体性能进行测试。结果表明,本文设计的水质污染检测系统可在2分钟内完成对温度、PH值和电导率的测量,且测试值与实际值误差较小,具备良好的实时性和可靠性。5 [$ `( z& u/ |

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水质监测 无线传感器 网络协调器- C/ r8 e3 _! h8 N& I9 r+ G

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引言+ I+ e/ y. y- v  y0 }
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5 g; E, X4 v- m近年来,随着我国经济水平和工业水平的快速发展,水环境污染越来越严重,严重影响了人们的正常生活和身体健康。因此,实现水环境的可持续发展,做好水污染防治工作至关重要。其中,对水质进行实时监测是防治水污染的重要途径,水质污染监测系统随之诞生。然而,传统的水质监测系统具有成本高、操作性难和实时性差的问题,不适用于当前水质监测领域。近年来,随着无线传感器技术的提升,为水质监测提供了一种新的思路。目前,已有大量学者和专家针对无线传感器网络应用到水质监测中进行深入研究,并取得了一定的研究成果。8 X' V8 W9 K( p% _
陈玥[1]等提出基于海量异构传感器的物联网水质监测系统,通过结合物联网技术,将无线传感器网络应用在环境监测系统中,实现无人值守自动监测,在一定程度上提升了水环境监测的质量和效果;葛秋[2]基于ZigBee技术,构建了无线传感器网络的水质监测系统,通过此系统降低了水质监测的成本,增加了水质检测的灵活性;李鑫鑫等[3]基于GA-BP神经网络,构建了一个施工区域水质预测及预警模型,针对水质监测过程中出现的各种状况提出了相应的解决策略,从而降低施工对水环境的影响。结合以上学者研究成果,将无线传感器网络应用到水质监测中,构建一个基于传感器的水质污染监测系统。通过此系统实现水质监测自动监测和实时监测,提前采取防治措施,从而降低水环境的污染。7 `! e, h4 o* u& M& H% E
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1 H* D0 ]9 r7 ?8 f) M9 M; J系统整体框架6 a' o" n4 T5 Y/ j

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监测系统,其主要作用是对公共水域或污染状况进行时监根据系统环境和系统的功于无线传感网络水监测系统整体框架设计如图1& j7 n9 _: O  o" [
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系统主要由数据采集网络ZigBee/GPRS网关数据处中心三个部分组4数据采集网络即传感网络主要由多个传感路由点和网络协调主要作用是对数据进行采集ZigBee/GPRS网关的作用是实现采集信息中心通信;数据处中心则对传输数据进行控制和9 |* }* ^0 I- x$ b( ?5 r* c
监测内容质的化学和生物根据环保部发布水环境质量标准》由于际设备件的不足,本研究选择将温度PH电导率作为判断水体质量的标准
6 K5 c* H( Y! c6 `系统由无线传感网络终端节或路由采集水信息后将采集信息发送到网络协调;然后通过协调对接收数据进行汇总5;最后利ZigBee/GPRS网关将数据传输到监中心客户通过网络服务器系统平台登录即获取水监测温度PH电导率等具体信息/ N  ~+ z7 y9 p! X- R- I% j8 p

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0 _9 F$ N7 M- _: w系统的设计与实现
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2.1 硬件设计

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设计方面,主要对系统ZigBee模块最小系统参数采集模块ZigBee/GPRS网关接口进行详细设计[6]各节设计原理如图2

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2.1.1 ZigBee模块最小系统设计

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在系统设计中ZigBee模块最小系统是设计的基用高度集成化的CC2430芯片现电路设计该芯片只需个外围电路即信号收发系统的构建构建过十分简单易懂7次设计CC2430外围电路图如图3
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为向CC2430内部电路供给稳定偏置电流提升系统运行效果理器7204147引脚与地之间接入不同电容值去耦电容以此降低射频负载8电容使0402进行封装型号5%的精耐压50VNP0电容22引脚与电阻值56K型号1%进行接地26引脚同上式接地但电阻值43K9
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高系统监测的精确度设计系统使两个晶振并分别应用在正常工作模式耗模式两种模式下10正常模式32MHz系统主时钟耗模式3276Hz时时钟Y113引脚连接27pF电容Y1NX3225SA4引脚贴片无晶振;Y2两个引脚连接15pF电容Y2普通2引脚晶振11
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2.1.2 水质参数采集模块设计
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根据选取评判指标主要从水质的温度PH电导三个模块对水参数采集模块进行设计体设计如下:
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(1)温度参数采集模块设计

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选择使DS18B20数字式湿度传感对水温度参数进行采集该传感器具备以下三个优点:
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复杂水环境下平稳运行12;
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单线接口仅需个接口线即传感器和微处理器的通信;

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传感与微处理器协议相同,可直接对接不另加外围电路;能够对多个节进行组网最多8个传感进行并联

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DS18B20传感器可通过368三种式进行封装针对水温度监测的实际情况选择使3引脚TO-92的方式进行封装封装式如图4

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传感数字信号输入端与CC2430芯片PO.4输出端进行连接GND接地VDD外接供电大小5V13编写成功后即DS18B20水温测量功能进行调试调试过,为取得更结果DS18B20封装注满变压金属铅管中使隔水玻璃胶封封口避免芯片进水

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(2)PH值参数采集模块设计
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要判断水质是否达标酸碱度检测至关重要选择复合型PH电极测法测PH量原理如图5,其甘汞电极参比电极玻璃电极指示电极电极同KCL溶液待测溶液构电池PH值与该电池电动备关联14仅对电动值进行测获得监测水PH
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PH值测量原理如公式(1)所:
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式中PHx表示待测试PHPHs表示标准KCL溶液PHExEs分别表示待测试溶液KCL溶液电动势,表示气体常数8.3144J/(K*mol),T表示绝对温度F表示法拉第常数96485C/mol
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已知温度25℃1PH单位对应电位化为59.16μV由此,在上位上能够直观地看出进行变换后PH
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选择E-201-CPH电极作为PH传感器的用,此电极以模拟量作为输出,可实时补充电解液,因,可在长时间内不间断地对水进行监测PH传感器技术参数如表1
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增强PH传感输出信号强度对信号调电路进行设计CC2430理器的AD采样端口能够收到准确电压变必须借助此电路

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(3)电导参数采集模块设计

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针对电导参数采集模块使二极片式DJS-1型铂黑电导电极作为传感该传感能够量高电导溶液时避免发生极现象量的基本原理为:首先,在被测溶液中平行地置入两块极板然后利激励电压加载极板两端电流即能得到溶液电阻15最后欧姆定律即计算出电导电导随着电阻增大而减小两者呈反比关
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该过电极激励信号极易出现电极化的状况从而导致更严重电极极化误差,本次设计将电导电路中使双极脉冲激励信号以此降低量误差体电路图如图7

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2.1.3 ZigBee/GPRS网关的接口设计
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现监测系统的无线网络监测仅仅依ZigBee远远不够还需加入GPRS于此将对ZigBee/GPRS网关接口进行详细设计GPRS使型号SIM900A该型号备结构紧凑双频供应电压较小不需要增加外围电路就能现协调通信的优点接口线路如图8,其接口不多只需通过邦线就能连接两个模块,具体连接为:SIM900A模块RXD连接协调器的TXD两个模块中GND都连接地
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2.2 软件设计

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系统软设计主要分上位机和下位两个部分就下位机的网络协调路由节点和传感三个内容完设计以此现节通信参数采集传输无线传感网络创建目标
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2.2.1 软件开发平台

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开发环境选择IAREmbeddedWorkbench(EW)开发平台该平台具有功能齐全简单易操作的编译器,备简单的用户界
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开发工具为SmartRF05EB,可支持CC2430芯片的工作
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2.2.2 网络协调器节点程序

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ZigBee网络中网络协调能够自主创建网络并能控制终端设备网络连接接收监测数据传输监测数据到上位机的协调点的工作程为:
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(1)自主建立网络;
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(2)系统终端设备网络进行加入或去除接收水监测信息网络请求信号若接收到入网申请即可向该节分配网络地址并立刻该路由器和上位机等发送调收发函数

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2.2.3 路由器节点设计
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设计监测系统无线网络通信离不开路由器的设计路由传感主要备三个:一是自身存路由;第二能够协调发送采集监测数据;第三是可以扩大网络覆盖范围当路由传感加入网络成功即使没处于工作状态但依旧现网络通信

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2.2.4 传感器设计

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设计监测系统传感设计最为基础且关键系统监测全部数据均来于传感传感点的部分包括两个方面,即数据采集网络通信该节点的具序流如下:
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3.1 系统软硬件平台的搭建
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验证设计检测系统是系统的件和平台进行搭建由于CC2430芯片极易受外围电路影响,因通过0402封装电容电阻连接

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ZigBee模块主要分CC2430芯片天线底板两个部分该模块的实物图如下
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3.2 串口通信测试

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验证构建的系统是,实验将对无线网络中串口通信进行测试首先将系统设置接收发送状态然后分别对接收模块发送模块分配发送物地址FFFFFFFFFFFFFF01FFFFFFFFFFFF02”。然后开启节点,若节点显示灯不断闪烁则表串口通信连接成功

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更好地分析连通效果,本验测试丢包率和误增加两个监测节点的距离使监测节点在不同位置每隔80s发送数据信息串口调试助手对接收信息进行测试分析测试结果如表2

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由表2,在通信距离30m丢包率和误0.004随着通信距离增加丢包数据越来越多当通信距离大于50m,系统丢包率和误也不断地增加至0.0940.096,系统已经无法满足监测要求整个测试结果表系统可很好地进行串口通信

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3.3 节点组网实验

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验证无线网络否能够正常组网并进步测试组网效果将对协调路由器和终端节进行组网

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步需要IAR开发平台界面的工作区分别下载区域击下载协调路由器和终端然后对分配地址网络协调器为FFFFFFFFFF01路由节点为FFFFFFFFFFFFFF02终端节点为FFFFFFFFFFFFFF03之后再开启串口调试助手将协调PC串口连接打开串口并设置相应串口参数再将协调路由器和终端节配置远距离不同位置最后连接路由器和终端节到电源,串口助手观察各个节加入网络状态网络和具体地址测试结果如图11
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从图11以看出协调分配网址0X0000路由网址0x0001终端节网址0x0040网络地址的特较低位置处于后端位置处于前端由此说系统组网成功,且平台界完整准确地示了组网数据组网效果较好

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3.4 系统性能测试

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验证设计系统的性,本文选择将苏打水饮料作为测试样本,该样本的PH7.83电导率为329系统每隔2分钟对水参数进行采集得到的系统性能测试结果如表3

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从上表以看出温度测24.5℃际温度值相同PH平均值7.678际值的误差0.143电导率的平均值327.689际值的误差为1.311PH电导两者平均值与际值之间的误差较小短时间内测试数据十分接近际值由此说设计的基于无线传感器的监测系统具性和准确
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综上所述,设计的基于传感器的水质污染监测系统具备可行性和有效性,利用无线传感器网络可以实现各节点的串口通信,并且在不同的通信距离中,均能取得较好的丢包率和误码率。同时,各节点可实现正常组网,取得了较好的结果。系统测试证明,设计的系统可在2分钟内实现温度、PH值和电导率的监测,且测试结果与实际值相近,具备实时性和准确性。但由于条件限制,仍存在一些不足,主要表现系统设计还不够完善,重点研究下位机的设计,忽视了上位机的设计。因此,在后续的研究中,应从这一方面进行改进,将系统与GPRS相结合,实现水质监测的远程化和网络化。) T& l8 c9 q7 Q' M5 l- }9 F- ?
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活跃在2021-7-11
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