一种无线传感器网络的设计与应用

２０１３往　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２０１３　Ｎｏ．８　第８期　一种无线传感器网络的设计与应用　李建业，常丹华　（燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛０６６００４）　摘要：针对传统的水质监测手段耗时、步骤复杂和自动化程度低等特点，提出了一种基于无线传感器网络的水质在线　自动化监测方案。该方案把携带不同类型传感器的无线传感器网络节点布置于所监测水域，利用ＺｉｇＢｅｅ协议实时采集　和传输数据，使用ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关进行协议转换后，通过以太网把采集数据传输到监控中心，全面提升了监测自动化水平。　实验结果表明：该系统功耗低、抗干扰性强、节点体积小，适用于工业现场污水处理中实时连续监测。　关键词：无线传感器网络；水质监测；ＺｉｇＢｅｅ；ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１８４１（２０１３）０８—００３８—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ＬＩ　Ｊｉａｎ—ｙｅ，ＣＨＡＮＧ　Ｄａｎ—ｈｕａ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｉｍｅ—ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ，ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｓｔｅｐｓ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎ　ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ｏｎｌｉｎｅ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉ￣ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮｓ）ｎｏｄｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗａｓ　ｐｌａｃｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｔｏ　ｂｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ，ａｎｄ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｄａｔａ　ｗａｓ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｔｏ　ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ　ｇａｔｅｗａｙ　ｔｏ　ｃｏｎｖｅｒｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ　ｖｉａ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈ　ｎｏｉｓｅ　ｉｍｍｕｎｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ．Ａｌｌ　ｔｈｅｓｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｗａｇｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒ；ＺｉｇＢｅｅ；ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ　ｇａｔｅｗａｙ　１系统概述　１．１系统结构　水质参数传感器的节点，布置于被监测水域，主要负责水质参　数的采集与传输。　１．２　ＺｉｇＢｅｅ网络　该系统包括３种设备，分别是监控中心　、ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关　和无线传感器网络节点，系统结构如图１所示。　／／　ｍｅｔ—一ＺｉｇＢｅｅ是一种新型的无线传感器网络通信技术，它具有传　输距离短、功耗低、组网灵活等特点，适用于数据采集等场合。　ＺｉｇＢｅｅ采用网状网络结构（ＭＥＳＨ网络）。ＭＥＳＨ网络是一种特　—　殊的、接力方式传输的点对点结构，具有自动建立和维护网络　　ｊ１　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　＼——Ｉ传感器节点Ｉ　ｌ路由节点ｌ　ｌ传感器节点１　Ｉ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｉ　ｌ　ＺｉｇＢｅｅ　ｌ　Ｉ　ＺｉｇＢｅｅ　ｌ　污水处理流程１　路由的功能。在无线ＭＥＳＨ网络中，任何无线设备节点都可以　作为路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号。１个　节点可以与１个或者多个对等节点进行直接通信。因此在污　Ｉ　＼Ｚ里　ｉｇＢｅｅ　　：ｌ　　：水处理流程的每个监测点配备１个无线传感器网络节点，在每　ｌ　堡堕晕苎　ｌ｛堕宴堇　】【ＺｉｇＢｅｅ　ｌ／　ｉｇＢｅ　Ｉ　堕堕军蔓盛ｌＢｅ。ｌ　污水处理流程２　个环节中设立１个ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关，而在工厂监测室设立１个　监控中心。这样每个监测点水质数据就可以从终端节点经过　ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关而转发到监控中心。　２硬件设计　图１系统结构图　２．１　ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关设计　监控中心由１台ＰＣ和相应的配套软件构成，是整个在线　水质监测系统的中枢，负责数据的收集、分析和系统的自动控　ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关主要由ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥ处理器、以太网控制　器ＥＮＣ２８Ｊ６０和ＺｉｇＢｅｅ无线模块组成。ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＶＥ处理器　制。ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关　主要负责ＺｉｇＢｅｅ协议　和ＴＣＷＩＰ协议　的转换，它把ＺｉｇＢｅｅ网络采集到的数据传输到Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络。　无线传感器网络节点　是拥有无线通信功能和搭载不同类型　拥有３２位的Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核，最高工作频率达到７２　ＭＨｚ．内　部集成了５１２Ｋｂｙｔｅｓ　Ｆｌａｓｈ存储器和６４Ｋｂｙｔｅｓ　ＳＲＡＭ，并且拥有　丰富的外设。强大的处理能力能够满足ＺｉｇＢｅｅ协议与ＴＣＰ／ＩＰ　协议之间的转换。ＥＮＣ２８Ｊ６０是兼容ＩＥＥＥ８０２．３标准的以太网　收稿日期：２０１２—０８—１４收修改稿Ｅｔ期：２０１３—０３—１８　控制器，内部集成ＭＡＣ和１０　ＢＡＳＥ—Ｔ　ＰＨＹ，８ＫＢ发送／接收数　第８期　李建业等：一种无线传感器网络的设计与应用　最大限度地延长电源的使用寿命。　３软件设计　３．１　ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关软件设计　３９　据包双端口ＳＲＡＭ，最高可达ｌＯＭｂ／ｓ的ＳＰＩ端口。ＥＮＣ２８Ｊ６０通过　ＳＰＩ接口与处理器进行数据交换。ＺｉｇＢｅ￣模块是装有ＺｉｓＢ￣ｅ通信　协议的ＣＣ２５３０的最小系统。ＺｉｇＢ￣ｅ模块通过ＵＡＲＴ接Ｉ＝Ｉ与处理　器进行数据交换。ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关硬件框图如图２所示。　图２　ｚ￣ｇｎｅｅｙＩＰ网关硬件框图　２．２传感器节点设计　传感器节点主要由传感器模块、信号调理电路、信号处理　与射频模块组成。传感器节点硬件框图如图３所示。　图３传感器节点硬件框图　２．２．１传感器模块　传感器选择使用ＷＱ系列产品，该系列产品具有高可靠性　和高精度等特点，可以满足水质监测的需要。所选用传感器模　块包括ｐＨ、水温、溶解氧、浊度和电导率。传感器类别和性能　如表１所示。　２．２．２信号调理电路　传感器输出的信号为模拟电流信号，这些信号需要经过信　号调理电路的滤波、放大后转换为０～２．５　Ｖ的电压信号，由　ＣＣ２５３０上的Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号。　表１传感器类别及参数　２．２．３信号处理与射频模块　信号处理与射频模块采用ＣＣ２５３０芯片　，它是应用于　ＩＥＥＥ８０２．１５．４、ＺｉｇＢｅｅ和ＲＦ４Ｃ的片上系统解决方案。该芯片　集成了高性能的ＲＦ收发器，符合工业标准的增强型８０５１控制　器，在系统可编程的ｆｌａｓｈ和多达８ＫＢ的ＲＡＭ．ＣＣ２５３０芯片提　供了多达８通道的ｌ２位高精度Ａ／Ｄ转换器，用来对水质参数　传感器输出的模拟信号进行模拟／数字转换。低功耗特性可以　将￣Ｃ／ＯＳ一Ⅱ实时操作系统移植到ＳＴＭ３２微处理器中，　以满足监测系统的实时性要求，并且提高了软件的开发效率和　系统的可靠性。在整个系统中存在２个主要任务，与ＺｉｇＢｅｅ通　信相关的任务（ＺｉｇＢｅｅＴａｓｋ（））和与以太网通信相关的任务　（ＥｔｈｅｍｅｔＴａｓｋ（））。ＺｉｇＢｅｅＴａｓｋ（）通过串口与ＺｉｇＢｅｅ模块进行　数据交互。ＥｔｈｅｍｅｔＴａｓｋ（）利用ＬＷＩＰ协议栈完成以太网相关　的任务。ＺｉｇＢｅｅＴａｓｋ（）与ＥｔｈｅｍｅｔＴａｓｋ（）通过ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ提供　的消息队列进行通信，完成ＺｉｇＢｅｅ协议到ＴＣＰ／ＩＰ协议之间的　数据交换。具体工作流程如图４所示。　图４网关软件流程图　３．２传感器节点软件设计　传感器节点的软件部分主要包括ＺｉｇＢｅｅ网络协议部分和　数据采集部分。ＺｉｇＢｅｅ网络协议部分主要负责ＺｉｇＢｅｅ网络维　护和节点与节点之间的数据通信等，这部分软件采用Ｚ—ｓｔａｃｋ　协议栈。数据采集部分在大部分时间都不运行，只有满足数据　采集条件时才触发一次数据采集。数据采集触发条件有２个：　定时器时间间隔到达；接收到数据采集命令。这样设计可以在　满足数据采集要求的前提下减少数据采集的次数，最大限度节　约能量。数据采集部分流程图如图５所示。　图５数据采集流程图　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ａｕｇ．２０１３　４系统测试　该系统在设计过程中遵循低功耗、高抗干扰性和高可靠性　原则，以保证该系统可以用于污水处理工业现场。实验过程　中，把节点置于室外水塘，每隔３０　ｍ放置１个传感器节点，共　放置３个，然后配置１个ＺｉｇＢｅｅ／ＩＰ网关。通过以太网将Ｚｉｇ－　Ｂｅｅ／ＩＰ网关与监控中心主机相连，监控中心为１台电脑主机。　４．１温度数据采集　进行了一次水质数据采集实验，采集的参数为水温。对水　温进行连续长时间监测，得到水温曲线图。图６为其中１个节　点所采集到的水温曲线图。　５结束语　图７传感器网络节点电流曲线闰　文中提出了一种使用无线传感器网络进行水质监测的方　案，分别从硬件设计和软件设计的角度介绍了系统的各个部　分。系统实现了实时监控、历史数据存储和查询等多项功能，　具有良好的通用性、可扩展性。该系统具有较强的抗干扰能力　和较高的实时性，满足工业现场的苛刻要求，为污水处理自动　时间ｍ　化设计提供了很好的参考，具有较大的工程应用意义。　参考文献：　［１］严丽平，宋凯．基于ＺｉｇＢｅｅ与ＧＰＲＳ的嵌入式水质监测系统设计．　计算机工程与设计，２０ｔ１，３２（５）：１６３８—１６４０．　［２］　钟永锋，刘永俊．ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络．北京：北京邮电大学出　版社，２０１１．　图６节点采集水温曲线图　４．２传感器网络节点功耗测量　传感器节点的功耗决定节点电池的使用寿命，在节点硬件　和软件设计中采取了降低功耗的措施。图７为１个传感器节　点进行一次温度采集并且把采集到的数据发送出去时所消耗　［３］　赵静，宋刚，周驰岷，等．无线传感器网络水质监测系统的研究与　应用．通信技术，２００８，４１（４）：１２４—１２６．　电流曲线图。由图７可知，在大部分时间，传感器模块与无线　射频模块都处于休眠状态，休眠状态时节点消耗的电流十分微　小，只有当数据采集事件触发时，处理器才启动传感器模块，进　行水质参数采集。采集完成以后，由无线射频模块把采集到的　［４］　吕云峰，马仁智，金宁．一种用于水质监测的ＷＳＮｓ节点的设计与　实现．传感器与微系统，２０１１，３０（１）：１００—１０３．　［５］Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＣＣ２５３０—２．４ＧＨｚ　Ｓｙｓｔｅｍ—ｏｎ・Ｃｈｉｐ　ｆｏｒ　ＺｉｇＢｅｅ，　ＲＦ４ＣＥ．Ｓｍａｒｔ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００９．　数据发送出去，然后系统再次进入休眠模式。这样的工作方式　可以满足系统低功耗的需求。　作者简介：李建业（１９８６一），硕士研究生，主要研究方向为无线传感器　网络、数据采集。Ｅ．ｍａｉｌ：ｍｕｙｅｆｌｙ＠ｓｉｎａ．ｅｏｍ　（上接第３７页）　ｌ创建串口对象Ｊ　’　４结束语　文中设计了一套低功耗多通道数据采集仪，具有较高转换　精度和采样速度，并可根据需要灵活配置采样通道数量。　鉴于数据采集系统的通用性，仪器可广泛用于电力系统　｝配置串口设备属性Ｊ　Ｎ　发、输、配各环节的信号采集及自动化仪表的多样控制，并可推　广应用于自动化系统模型辨识领域。　参考文献：　爱送握手信号并启动数据采集　Ｌ　［１］　Ｍａｘｉｍ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｉｎｅ．ＭＡＸ１３０４一ＭＡＸ１３１４中文手册　［ＥＢ／ＯＬ］．［２０ｔｌ一１１—０３］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｃ３７．ｔｏｍ．　［２］ＴＥＸＡＳ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ．ＭＳＰ４３０ｘ２ｘｘ　Ｆａｍｉ￣Ｕｓｅｒ’ｓ　Ｇｕｉｄｅ［ＥＢ／　ＯＬ］．［２０１０一ｏ５—２３］。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．２ｌｉｅ．ｃｏｎｒ．　［３］李茯苓，张瑾，闷跃升．基于ＣＨ３４１的ＵＳＢ—ＵＡＲＴ的设计与实　现．工矿自动化，２００７（３）：１２１—１２２．　Ｉ等待申口中断ｌ　Ｉ调用圊调函数｛　ｔ　搜申口通信数据．即采集数据Ｉ　数据文件存储及图像显示　Ｉ　［４］　朱治富，宁显宗，张燕武．快速多路同时采样．微电子学与计算机，　１９９２，１（５）：１５—１８．　［５］　李军，徐惠斌．基于ＭＣＳ一５１单片机的航空转速表检测仪．仪表　技术与传感器，２００８（８）：２８—３Ｏ．　［６］魏巍．Ｍａｔｌａｂ控制工程工具箱技术手册．北京：国防工业出版社，　２００４：２３—５０．　圈７实时串行通讯流程图　３．２数据处理及标定　为减少噪声等因素的影响，应消除数据中的趋势项，剔除　［７］　张德丰．ＭＡＴＩ＿＆Ｂ与外部程序接口编程．北京：机械工业出版社，　２００８：３１８—３６７．　高频成分，还原真实采样值，提高数据的精度和可靠性，软件以　专门函数及滤波器对输入数据进行预处理，见表１。　此外，由于软件获取的数据成倍减小或已经特殊处理，为　［８］候嫒彬，汪梅，王立琦．系统辨识及其Ｍａｔｌａｂ仿真．北京：科学出版　社，２００４：５３—８７．　作者简介：吕杰（１９８２一），工程师，硕士，主要从事电力系统变电运行及　了还原采集数据真相，需进行数据标定。　检修工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｖｊｉｅｇｏｏｄ２００４＠１６３．ｅｏｍ