基于Zigbee的水质监测仪的组网和软件设计

文/何家旺 龚晨晨 陈谦谦

1 国内外现状

在我们现实生活中，水环境污染情况严重，如果采用人工检测，从取样到出结果，这个过程十分复杂，而目前我们采用的设备十分受限，存在着监测数据滞后、数据误差较大等问题，所以我们非常缺少应急设备。且有些监测装置体积太过庞大，不易安装维护。只适用于海洋和大型的湖泊的水质监测，无法适用于常见河道，公园湖泊等水体，应用场景太过受限。因此，建立水质在线检测系统非常重要，能快速而准确地获得水质监测数据，可以帮助水质监测部门建立较大范围的监测网络，从而收集有效数据，以确定水质的污染状况和发展趋势。

图1：系统流程图

2 系统功能介绍

本系统提供的是一种对水的各项指标实时检测系统，把装置投放入水中，就可以实时地把水的温度、浑浊度、PH值以及含氧量等各项信息上传到我们的网站上，人们可以通过手机、电脑登录到页面，及时知道水的各项指标。并且还有警报装置，如果有哪项指标异于正常值，就会及时发出告警信息，并通过短信的方式发送到监测者手机，对水的保护起到有效地监测作用。

3 系统结构及选型

通信组网是硬件方面的主要关键技术，我们的装置采用Zigbee结点终端和协调器，4G网关和阿里云服务器等组成架构网络。监控系统拓扑呈拓扑结构，每个装置配置一个终端节点，组成Zigbee无线监控网络。通过4G基站到达远程监控终端。与底层无线监控网络通信。移动4G通信模块，以4G基站为枢纽接入阿里云服务器,从而实现与远程监控主机的通信。系统流程如图1所示。

3.1 建立网络

在用Zigbee建立网络的过程中，可以通过协调器设备来完成，而在这一过程中，所有的实现过程都需要通过原语才能实现。协调器设备的应用层调用原语，发出建立网络请求，必须在网络层收到应用层发出的原语之后，才能要求MAC层执行信道能量扫描。主要是为了能够找到需要的信道，即信道能量低于设定能量值。并且这些信道上需要标注是可用信道，找到符合要求的信道之后，从中筛选出一个最好的信道，然后就可以进行下一步的工作——收到PAN开始的状态，然后告知应用层所需要建立网络的状态。

3.2 加入网络

在进行上述步骤之后，就开始加入网络了。路由器设备或者终端设备可以通过关联的方式来加入这个网络。对于子设备，首先要设定待扫描的信道和每一个信道扫描的时间。当网络层收到这一要求之后，就会要求MAC层执行被动或主动扫描，一旦完成了扫描，就会告知网络层，然后网络层再向上告知应用层。此时如果有潜在的父节点可以确定，那么网络层就会调用相关的原语发送给MAC层，用MLME-ASSOCIATE.conf irm 原语可以反馈其连接状态。

3.3 接收发送数据

在加入了网络之后，设备可以发送相关数据。应用层将一帧数据打包好之后调用网络层的原语，并且按照协议的配置，加上相关数据以及做好一定的安全处理过程。

3.4 接收和再发送

如果是在非信标的网络中，只要保证设备不处于发送数据的状态，他就可以接受使能，在收到一帧数据之后，就会自动将该帧数据帧头的传输半径减一。如果不为零的情况下，会不断地将数据传输到下一个设备，直到该值为零，就会停止传输，而是被送到应用层，或是在网络层做一些具体的处理。