基于物联网的水质在线监测系统设计

摘要：针对传统水质监测方案布线困难、成本高等不足，设计了一种基于物联网的水质在线监测系统，实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、传输、处理。该方案便于远程监测，适用于饮用水及养殖业水质监测等领域。
关键词：传感器；水质监测；ZigBee；GPRS

0 引言
    为了彻底解决传统人工水质监测及DCS、现场总线方式在管理及应用上存在的布线困难、成本高等不足，本文提出了以智能水质传感器、无线传感器网络、专家库数据库为核心的物联网水质在线监测系统。本系统通过分布式动态组网，可实现大范围、24 h不间断的监测，同时通过布设在水源地具有定位功能的无线传感器节点，能够侦测到饮用水源的污染情况，从而提高管理效率、保障供水安全，解决饮用水及养殖业水质在线监测和管理问题。

1 系统结构及工作过程
    本系统的组成图如图1所示。系统在水源地布置多个水上节点(水质参数采集节点、远程视频采集节点、水质参数调节节点、ZigBee+GP RS无线网关)，然后通过水质参数采集节点实时采集PH值、水温、水位、溶氧量等水质参数，并通过ZigBee Endpoint上传给无线网关的Zig Bee Coor dinator，再由后者经串口送入GPRS传送到服务器；同时通过IPCamera(网络摄像机)采集水面视频信息，由3G方式送入(移动)服务器。运行于服务器上的信息管理系统将对数据进行统计、分析，并根据饮用水用水管理要求实时预警、告警，自动下发控制指令到GPRS无线网关，然后由ZigBee网络下发指令到水质参数调节节点，启动增氧机或PH值调节设备、水泵等，实时调节用水参数。管理人员则可通过PC、平板电脑或PDA等方式获取实时水质数据，并对设备进行远程控制。

2 硬件电路设计
2．1 水质传感器选型
    以养殖用水为例，一般需要对水环境中的PH值、浊度、水位、溶氧量、温度等五项基本参数进行监测。本系统选用北京联创与中国农大开发的、具有测温和温度补偿功能的PH10、TS10、WL10、DO10四类智能传感器来对水的PH值、浊度、水位、溶氧量、温度等五项参数进行监测。四类传感器均可通过RS485总线接收来自外部MCU的控制指令，然后返回测量原始值、温度值、工程值等三个参数，因而可以大大简化感知层的设计工作。
2．2 CC2530节点的接口电路设计
    本系统的ZigBee节点选用成都感智信息技术有限公司的CC2530节点，该类节点带有CC2591增益放大模块，最远通汛距离可达1 km。由于CC2530不支持RS485通讯，因而需要设计RS485转3．3 V TTL电路，图2所示就是CC2530无线节点与RS485传感器的接口电路。其中，5．0 V直流电压主要为传感器供电，3．3 V直流电压为CC2530节点供电。通讯接口转换芯片选择MAXIM公司的MAX13487，光耦T1、T2用于CC2530与RS485总线的隔离，R8、R9用于采样电源电压以便服务器端能实时判断节点的供电情况，R5、R6、R7、C5、C6、D1、D2、D3、L1、L2等为RS485总线匹配电路。

2．3 增氧机控制电路设计
    系统中的增氧机控制电路如图3所示，CC2530节点通过P0．1控制光耦T1，并驱动Q1控制继电器J1，从而控制增氧机电源的通断，达到启动／停止增氧机的目的。

    另外，还需要设计系统传输层无线网关，一般的传输层无线网关应当内置有CC2530通信模块、S3C2440控制器、MG323 GPRS通信模块，并设计有存储、电源管理，以及以太网接口。

3 软件设计
    本系统的软件由感知层WSN软件子系统、传输层ZigBee／GPRS软件子系统和应用层水质信息管理系统等三部分构成。
3．1 感知层WSN软件子系统
    感知层WSN软件子系统是根据表1所示的通讯协议，基于ZigBee 2007Pro开发的具有自组网功能的星型网络。其中，帧类型主要有节点入网、获取网络参数、获取传感器参数、调节水质参数等。表1所列是系统的WSN数据帧格式。表2和表3所列是其水质传感器的通讯帧格式。只要在下行链路中下发指定格式的指令，便可通过上行链路获取到如表3所列的返回数据，进而提取出原始值、温度值、工程值等参数。

3．2 传输层ZigBee／GPRS无线网关软件子系统
    ZigBee／GPRS无线网关用于完成管理控制、协议转换以及数据转发功能，可以支持WSN网络数据协同和汇聚，并支持ZigBee及GPRS接入，从而桥接WSN与互联网。
3. 3 应用层水质监控信息管理系统
    应用层水质监控信息管理系统采用B／S架构设计，通过WebService提供面向ZigBee／GPRS网关和用户的服务。WebService服务接口提供的主要服务接口如表4所列。

    应用层数据决策由专家数据库系统实现，它由知识库、推理机、解释器、人机界面、数据库管理系统等组成。主要子系统包括水质环境监控子系统、专家决策及知识查询子系统、系统配置子系统、在线技术支持子系统等。

4 结语
    本文基于水质传感器、GPRS、ZigBee等技术手段设计了一套水质实时监测系统，能对大范围水面进行PH值、浊度、水位、温度、溶解氧等水质参数的监测。在感知层中，本系统提供有开放的协议进行扩展，只要在CC2530节点上配置以不同的传感器，便可对系统的监测进行扩展；而在传输层，则利用3G网络和ZigBee／GPRS网关的开放性，来实现数据的透明传输；在应用层中，系统通过WebService提供面向ZigBee ／GPRS网关和用户的服务，同时，本系统还可以方便地进行传感器的配置、增减和数据展示。