水污染远程监测无线传感器网络节点设计

陈祖爵 郭秋月 施 展 江苏大学计算机科学与通信工程学院

在水资源的生态环境监控方面，国外已有把无线传感器网络技术应用于水污染监测系统中的例子，美国Heliosware公司的CS0net系统[1]是由CSOnet logieeover（节点）和CSOnet网关（接入点）组成，用户可以通过WiFi、WiMax、手机、以太网等方式访问网关数据，达到了面向分布式无线传感网络控制监测的目的。2008年澳大利亚CSIR的Fleck系统[2]是采用Atmega128L嵌入式处理器作为控制单元，通信装置采用Nordic nRF903，以adhoc的方式来组成智能传感器网络，完成传感器网络监测系统的数据采集和实时发送。国内也有相应的水污染监测研究，杭州电子科技大学信息与控制研究所对于水环境监测的无线传感器网络网关提出了结合视频监测的设计方案[3-5]，网络通信采用Zigbee与CDMA结合的方式，TCP/IP协议采用内嵌协议栈；2010年，宁波中科集成电路设计中心推出了一套面向行业应用的工业级无线传感器网络GMesh[6-7]，采用集成高精度传感器来实现对现场数据的采集，将现场数据接入到GMesh构建的无线传感器网络，实现可靠传输。本文针对传统方式所存在的问题，着眼于建立一种面向无线传感器的水污染监测网络节点，探索如何能够实现实时、远程、无线、低功耗的水污染监测系统。

1 水污染检测原理

水环境中需要检测的参数有：PH、电导率、COD、温度、硝酸根离子、氯离子、氧离子、钾离子等。其中PH是水溶液最重要的物理化学参数之一，凡涉及到水溶液的自然现象、化学变化以及生产过程都与PH有关，在生产、科研、人类生活的各方面都需要测量PH值，所以在该水污染监测系统中，重点描述对环境水质PH值传感器节点的研究与设计。

1.1 PH值传感器选型

目前有以下几种PH传感器[8-9]：光化学PH传感器、离子敏PH传感器、玻璃电极传感器、锑电极传感器、酶PH传感器等。与其他传感器相比，玻璃电极传感器具有测量范围宽、重复性好、稳定性高、精度高等特点，因此获得了广泛的应用。

上海雷磁公司生产的E-201-C型PH复合电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，是PH值测量元件，用来测量水溶液的PH值（氢离子活度），适合用于严酷外部环境，具有极好的线性和较弱的滞后效应，能够及时的测量PH值，输出mV信号，提供温度与电压自动补偿。应用于环境监测、医药工业、染料工业中需要检测水溶液PH值的场合。PH玻璃电极结构如图1所示。

图1 PH玻璃电极

1.2 PH值传感器测量原理

由于玻璃电极的特殊性，检测PH值时通常使用电位法测量。

将玻璃电极作为指示电极，银-氯化银电极作为参比电极，将电极插人待测溶液，复合玻璃电极和待测溶液组成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正极和负极。依据奈恩斯特方程，原电池输出电动势、被测溶液绝对温度及被测溶液PH值之间满足如下关系：

式中E为原电池输出电动势mV；E0为常数，为与电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差mV；K为常数，为NERNST系数；T为被测溶液的绝对温度；PHx是被测溶液的PH值；PH0是常数，为复合玻璃电极内缓冲溶液的PH值。由式（1）可知，被测溶液的PH值和温度共同作用产生原电池输出电动势，因此同时测量原电池输出电动势和溶液温度就能根据式（1）计算出被测溶液的PH值。由于玻璃电极的制造工艺等原因，式（1）中参数E0和K的实际值与它们的理论值会有差异，并且随着电极的老化而改变，因此必须用PH值已知的标准缓冲溶液校正电极。具体校正方法如下：设两个标准缓冲溶液的PH值分别为PH1、PH2，输出电动势分别为E1和E2，在相同温度T下标定，由式（1）得到溶液输出电动势E与PH关系如下式所示：

由式（2）得：

将两个标准缓冲溶液的酸度PH1、PH2和对应电动势E1、E2带入算出的参数K，由式（4）得到待测溶液的PH值。

2 网络节点硬件设计

2.1 PH值无线传感器网络节点组成

PH值无线传感器网络节点由PH复合玻璃电极、PH信号调理电路、控制器C8051F930和Si4432收发芯片组成。主要是负责对水质参数进行采样，经过PH信号调理电路对其采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理，然后送到控制器C8051F930进行A/D转换，即把模拟量转换为数字量，通过串口将数据发送给Si4432收发芯片进行通信。节点组成如图2所示：

图2 PH传感器节点组成

2.2 信号采集与调理电路设计

PH传感器测量原理是利用敏感电极与参比电极的电势差进行测量，输出的是mV信号。PH值的输出电压与被测液体的PH值呈线性关系，灵敏度为54.2mV/PH，输出信号呈双极性变化，在温度25℃、PH=0时，输出为0mV。只需对PH传感器的输出电压进行处理和测量，就可得到相应的PH值。设计中采用PH复合玻璃电极，由于PH测量电极内阻大，要求前置放大器有较高的输入阻抗，选用运放LMC系 列的放大器，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，提高系统稳定性等作用。PH值信号采集与调理电路设计如图3所示：

图3 PH值信号采集与调理电路

图3中，R8连接C8051F930的A/D输入通道A/D采用内电压基准1.68V，PH值检测的输出电位满足：式中Ui为传感器（ PH电极）电极的输入电压；此外，为得到更准确的PH测量的电压值，在电路中加一个稳压管，这样PH值信号的检测会更加准确。

2.3 控制器电路设计

控制器电路主要是完成对PH值进行A/D转换以及和收发芯片的的数据传输。节点采用的是Silicon Labs的低功耗混合信号ISPFLASH微控制器C8051F930。它集成了10位的SAR A/D转换器，具有多种启动模式和自动低功耗突发模式，可以自动使能ADC0，采集和累加样本，然后再将ADC0置于低功耗断电状态，所有这些操作都不需要CPU干预。ADC0还有一个16位的累加器，可以自动过采样和对ADC结果求均值；以上满足了系统对控制器的低功耗、高集成度、高性能、低成本的要求。控制器电路设计如图4所示：

图4 PH控制器电路设计

2.4 无线收发电路设计

无线收发单元是节点中重要的组成部分。采用的是Silicon Labs公司的Si4432芯片，它是一款高集成度、低功耗、多频段的无线收发芯片。其工作电压为1.9～3.6V，内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单，且成本低。由C8051F930单片机控制Si4432实现无线数据的收发，发送模块中的C8051F930将数据传送给Si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调之后，再将数据送给控制器C8051F930进行相应的处理。无线收发电路设计原理图如图 5所示：

图5 PH无线收发电路设计原理图

3 网络节点软件设计

3.1 PH值监测节点软件结构

PH值监测节点软件的主要功能是负责监测现场水质，并进行数据采集和处理。系统进行初始化，启用定时休眠模式，当定时时间到时，采集PH值数据并分析处理，然后进行数据发送，返回休眠模式。采用休眠模式可节省系统运行的功耗。软件的系统结构流程如图6所示：

图6 PH软件的系统结构的流程

3.2 信号采集与处理模块软件设计

PH值信号采集与处理模块软件主要负责监控区域内信息的采集和数据A/D转换。将A/D转换启动源选择外部转换启动信号，选取P0.3作为ADC的模拟输入引脚，P0.4作为输出引脚触发CNVSTR的P0.6引脚，当P0.6上升沿后启动A/D转换，并将转换值保存在缓冲数组databuf[]里面；每当采样完一定的数值时，将这些数值计算成相应的电压值，存在数组TESTbuf[]里面。其工作流程图如图7所示。

3.3 无线收发模块软件设计

无线收发模块软件设计 主要由初始化程序（包括初始化C8051F930、Si4432）、无线数据发送程序和无线数据接收程序组成。由于无线收发模块之间的通信是以数据包的形式 发送的，初始化程序需要进行C8051F930的初始化配置以及Si4432的无线收发频率、工作模式、发射速率等内部寄存器的初始化配置；无线发送程序是将要发送的数据经C8051F930处理后根据协议规则在发送的数据包中加入前导码、同步字、CRC校验码等，重新打包通过Si4432发送出去；无线数据接收程序负责接收并检验数据包中的CRC字节，以确保接收到的数据的正确性，然后Si4432则将数据正确接收后通过液晶显示出来，从而实现远距离的无线通信。该系统实现了低功耗、小体积、高灵敏度条件下的高质量无线数据传输。无线数据发送程序流程、无线数据接收程序分别如图8和图9所示：

图8 PH无线数据发送程序流程图

图9 PH无线数据接收程序流程图

4 结论

针对江河流域水资源环境，本文提出了一种水污染远程监测系统，可将PH值传感器节点布置于江河流域的排放口处，通过超低功耗控制器C8051F930对PH传感器采集的PH值进行A/D转换，以达到提高系统性能，降低节点功耗的目的；并且利用支持IEEE802.15.4协议的无线射频收发模块Si4432设计了一个简单、低成本、高可靠性的收发系统，对PH数据进行收发和远程通信；研究表明，整个系统实现了水质监测中心对PH值的远程监测和实时收发，满足了高速采集系统的低功耗、可靠性要求。

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