基于物联网的水质在线监测系统设计

作者：贾桂林 刘美岑 曾宝国 程远东

来源：《物联网技术》2012年第12期

        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

        中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2012）12-0081-03

        Design of online water quality monitoring system based on Internet of Things

        JIA Gui-lin， LIU Mei-cen， ZENG Bao-guo， CHENG Yuan-dong

        （Sichuan Institute of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

        Abstract： To solve the problems of complex wiring and high cost in traditional water quality monitoring programs， a water quality monitoring system based on Internet of Things is designed to achieve the purpose of the acquisition， transmission and processing of multiple parameters， including dissolved oxygen， PH value， and temperature. The scheme is suitable for remote monitoring， and applicable to monitoring the quality of drinking water and water for the aquaculture industry.

        Keywords： sensor； water quality monitoring； 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+GPRS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ZigBee Coordinator，再由后者经串口送入GPRS传送到服务器；同时通过IP Camera（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。

        图1 基于物联网的水质在线监测系统的组成

        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[1]。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，最远通讯距离可达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[2]。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。

        图3 增氧机控制电路

        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]。

        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[4]。

        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[5]。

        表1 WSN数据帧格式

        表2 水质传感器下行链路数据帧格式

        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。

        参 考 文 献

        [1] 周娜，祝艳涛.传感器在水质监测中的应用探讨[J].环境科学导刊，2009（28）：119-123.

        [2] 苏燕，周士龙.RS232-RS422/RS485/TTL信号转换器设计[J].山东商业职业技术学院学报，2012（12）：92-94.

        [3] 陈琦，韩冰，秦伟俊，等.基于Zigbee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展，2011（48）：367-372.

        [4] 王翥，郝晓强，魏德宝.基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统[J].仪表技术与传感器，2010（1）：48-52.