基于Zigbee和GPRS的水质监测系统节能设计

周皓东， 黄 燕， 刘 炜

(江西省科学院，江西 南昌 330029)

基于Zigbee和GPRS的水质监测系统节能设计

周皓东， 黄 燕， 刘 炜

(江西省科学院，江西 南昌 330029)

针对无线化的水产养殖水质监测系统耗能大、电池寿命短的问题，设计了基于Zigbee和GPRS的节能型水质监测系统。通过采用低功耗器件，在电源与传感器、信号调理电路之间添加选通芯片ADG1414控制各模块分时分区工作，减少各模块的供电时间来降低硬件能耗；通过设置阈值对采集的数据进行判断，对阈值范围内的数据不发送，减少数据发送量，从而减少系统数据发送能耗。以 CC2530为核心构建无线传感网络，将传感器采集到的温度、pH、溶氧等水质参数传输至监测中心，构建实时监测平台，并在此基础上建立数据管理系统，实现对水产养殖水质环境的实时监测。系统测试与实验结果表明，该系统节能效果显著，能有效延长无线水质监测系统电池的工作时间。

Zigbee；GPRS；水质监控；节能；水产养殖

近年来随着经济的高速增长，水域养殖环境呈现一定程度的恶化，渔业养殖中大面积的鱼虾死亡事件时有发生，给养殖户带来极大的损失[1-4]。对养殖环境的实时监测，有助于及时了解养殖对象的生活环境，在出现问题时可及时采取相应措施[5-7]。无线传感网络技术近年来在水质监测系统中的应用越来越多[8-12]。Zigbee技术是其中一种常用的无线通信网络技术，具有近距离、低成本、低功耗、低数据速率的特点[13-17]，在水质监测领域得到越来越多的应用。但无线传感网络一般采用电池供电，电池电量有限[18-19]，数据采集系统的各模块长期处于工作状态耗能较多，同时，传感网络和管理机之间定时发送数据耗电也较多。在多数情况下，水质变化较为缓慢，对水质数据的获取无需太过频繁，当水质变动达到一定程度后再进行数据传输，将会大大减少发送数据的次数，从而降低无线传感网络的电池能耗，延长电池寿命。

本文基于Zigbee技术与GPRS/CDMA，构建节能型水质监测系统，并应用于水质监测系统的无线传感网络中。通过采用低功耗器件，利用选通芯片控制各模块分时分区工作，设置数据变动阈值，减少无效数据的发送量，使系统更加智能与节能，同时实现对温度、pH、溶氧等水质参数的实时采集与监测。

1 系统总体设计

1.1 系统结构设计

本系统主要由终端节点、路由节点、汇聚节点、网关节点、服务器及显示屏构成(图1)。环境监测区域为由终端节点和路由节点组成的无线传感网络。采用Zigbee通讯技术，终端节点为采集各个参数的传感器，该节点将数据发送给路由节点，各个路由节点及唯一的汇聚节点形成网状自组织网络，以多跳的形式将信号发送给汇聚节点。该节点处于环境监测区域旁的本地监测区域，距离满足要求，该节点的地址为0x0001，汇聚节点通过RS232将汇集的数据发送至本地监测中心。本地监测中心的服务器及显示屏可显示所检测到的情况，网关节点通过RS232将汇聚节点与TC35i连接，实现了ZigBee网络和GSM网络通信接口之间的转换，数据通过GPRS网络发送至用户手机，使用户对水质的了解更便捷。同时也开发了用于远程监控的网站，用于在电脑上进行远程监控。

图1 系统架构图

1.2 系统节能设计

为实现无线化，在环境监测区域通常避免使用市电供电，所以采用电池供电。考虑到系统维持生命周期长度与系统能耗成反比，因此需要尽量选择体积小、容量大的电池，并尽量减少各个模块能量的消耗。针对减少各模块能量消耗问题进行研究。

假设单位节点电源能量初始值为E，单位时间内该节点消耗的能量为Et，根据本文方案，单位节点的电池续航时间：

T=E/Et

(1)

Et=Esend+Er+Esensor+ECPU+Ecost

(2)

式中：Et包括单位时间内节点发送信号的能量Esend，节点接收信号所需的能量Er，传感器采集信号及信号调理电路所需的能量Esensor，处理器处理数据所需的能量ECPU，以及未计算在内的能量损耗Ecost。要使T尽可能大，在E固定的情况下，需减小Et值。

由于终端节点接收的数据仅为路由节点或汇聚节点定时发送的网络数据连接确认信息，所以Er基本为固定值，Ecost也可认为是固定值。在传感网络中，节点采集/处理/发送信号是间歇性的，不需要一直处于工作状态，因此可以通过控制其工作时间来节约能量。

设温度、溶氧、pH传感器、CPU工作时功率分别为P1、P2、P3、P4，休眠时分别为Pb1、Pb2、Pb3、Pb4，路由节点发送数据时功率为P5，休眠时功率为Pb5，则Et可表示为：

(3)

式中，a为各模块工作的占空比，δE为无法进行管理的能量损耗，经整理，Et又可写成：

(4)

则电池的续航时间为：

(5)

式中：Pi和Pbi在选定硬件后即为固定值，且Pi≫Pbi≈0 ，所以式中只有a为可以改变的值，且从式(5)可以看到，越小T越大，因此，应当在保证数据有效发送的情况下尽量减少各模块的工作时间。具体措施应当从硬件和软件两个方面进行优化，硬件方面设法控制各个模块的电源供应时间，软件方面设法减少各个节点所发送的数据量。

2 系统硬件设计

2.1 节点硬件设计

无线传感网络节点包括终端节点、路由节点、汇聚节点及网关节点。终端节点由相应传感器、信号调理电路及处理器组成，路由节点由与终端节点一样的处理器构成。汇聚节点与网关节点在本地监测中心，使用市电供电并无不便之处。因此，本文主要讨论终端节点的节能。

终端节点由各个传感器负责采集信号。温度传感器采用美国Dallas半导体公司生产的DS18B20温度传感器；pH传感器采用雷磁E-201-C型pH复合电极；溶氧传感器采用雷磁DO-955溶氧电极。AD转换采用CC2530内置的AD转换模块，设置12位的分辨率，该模块有7个AD转换通道，完全满足信号输入要求。

CC2530为终端节点、路由节点以及汇聚节点的主控芯片，是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它具有不同的运行模式，使其满足较低功耗条件；其系统内有8KB RAM，以及可编程32/64/128/256KB的闪存，使得收发数据容量得到保证；21个通用I/O口可连接各个传感器，采集相应数据[20]。

2.2 硬件节能技术

为使系统更加节能，传感器、信号调理电路、处理器等硬件选用低功耗器件，并且在电源与传感器、信号调理电路之间添加选通芯片ADG1414，该芯片能控制各模块分时分区工作(图2)。

图2 电源控制模块

3 系统软件设计

3.1 系统软件功能设计

首先需对系统进行初始化，在模块上电后，对外部时钟、无线寄存器、通信接口等外部硬件电路进行初始化；其次ZigBee网络是以Z-Stack协议栈为基础的，因此需初始化协议栈；再次是需搜索是否有可用的信道，若有，则选择最近的信道加入，若无，则继续搜索。在此，为了节约电量，采用周期性发送的机制，每隔一个固定时间，节点被唤醒，开启无线通信功能，发送相应数据，其它时间处于休眠状态，从而达到既有效发送数据，又节约电量的效果。

路由节点主要是实现ZigBee网络构建以及数据收发。在路由节点上电后，首先对相关硬件及协议栈进行初始化，并对信道进行扫描，选择可用信道，构建ZigBee网络，给申请加入信道的传感器数据进行地址分配，并设定相应路由表以维护其与终端节点的关系，一旦接收到数据，立刻将其转发出去。

3.2 GSM通信驱动程序设计

网关节点主要由GSM模块组成，终端节点通过RS232与GSM模块相连，首先由CC2530向TC35i发送相应的AT指令以进行联机测试。这包括对波特率(9 600 bit/s)、禁止指令写回及工作模式进行设定，并通过发送AT+CMGS=N指令以设定短消息长度。本设计采用PUD模式的发送协议，相较文本格式，其支持任何形式的编码，且不需预置编码选项。最后，数据包通过RS232发送给TC35i，并写指令(0X1A)以启动TC35i发送数据。

3.3 软件节能技术

大家现在经济独立了吗？没有。大家的经济来源是父母。父母省吃俭用，把我们送到学校来读书、学习，为走向社会奠定基础。我们能不能拿着父母的血汗钱，为我们还在高一的所谓爱情买单？那么，同学们，请问：现在的你们适合恋爱吗？

有研究表明，无线传感网络传输数据所需能量比处理数据所需能量大得多，一条数据传输100 m所耗能量可执行300条数据处理命令[21]。因此，减少数据的传输量，取而代之的是处理器对信号的处理，将有用的数据发送出去，无意义的数据不发送，从而达到节能效果。

水产养殖环境一般情况下水质情况都比较正常，若将正常数据发送给监测区，不仅浪费能量，而且浪费内存。因此，本系统利用节点处理器的处理信号能力以及存储能力，将采集到的信号进行阈值处理，符合正常范围内的数据不发送，若数据超出正常范围，则将信号进行转发。通过这种方法，可以减少数据发送，以减少电池能量的消耗。

以采集数据的相对变化率作为阈值设置依据，当本次采集数据与上次数据的相对变化率达到一定值时，启动发送。

(6)

式中：Pi—本次采集数据；Pi-1—上次采集数据。

4 管理系统的实现

系统的管理核心为上位机，因此上位机管理系统的功能实现是重点，主要需实现串口数据收发、本地监测界面开发、数据处理、远程监测网站建立、Web服务及数据库建立等。上位机使用Microsoft Visual Studio 2010软件采用MFC应用程序框架进行设计，以实现数据接收、数据存放及历史数据查询等功能。当监控人员登陆界面查找相关资料时，系统可以调用数据库中的历史数据，并可远程登陆查看监控数据，实现远程监控功能。上位机软件结构如图3所示。

图3 上位机软件框图

数据处理模块对串口接收的数据进行解析，并将解析后的数据发送至数据库，在本地监测中心查看信息时，该模块从数据库读取相应数据。网络服务模块提供远程浏览器访问本地服务器的浏览服务，以便远程监测人员通过互联网登陆网站查看相应信息。数据库服务模块实现了数据处理模块、网络服务模块与数据库之间的交互工作，在此采用SQLServer2000对数据库进行设计。

5 系统试验与测试

在实验室对该水产养殖系统进行节能试验。将烧杯加水模拟水池，每个烧杯中放置2个终端节点(传感器组合)，设置6个烧杯，对应12个终端节点，1个路由节点，1个汇聚节点，试验布局如图4所示。

图4 实验布局图

每个终端节点均采用2 200 mAh的9 V锂电池供电，且其与路由节点的距离均为1 m，路由节点与汇聚节点均不采用电池供电，为使电池电量更快耗尽，每隔10 min采集1次数据。

试验采取4种方案：节点1、3、5一直工作，并定时发送所有数据；节点2、4、6一直工作，只定时发送问题数据；节点7、9、11分时工作，并定时发送所有数据；节点8、10、12分时工作，只定时发送问题数据。由测试结果(表2)可以看出，方案1最耗能；方案2可延长电池寿命49.6 h；方案3与方案1相比延长1 105.6 h，接近延长1倍；方案4较方案3减少了部分数据发送，但仅延长寿命5.7 h。因此，为确保数据不丢失和程序的简洁性，综合考虑，选择方案3作为最终节能方案。由于在实验中，传感器的采样周期为10 min，方案3可正常工作94 d。实际系统中，传感器的采样周期为30 min，预计可正常工作280 d左右。

表2 测试结果

5.2 系统测试

在某水产养殖基地对本设计系统进行了测试。试验时采用方案3，部署了12个终端节点、4个路由节点和1个汇聚节点(图5)。

图5 节点布局图

其中，1～12为终端节点，13～16为路由节点，0为汇聚节点。电池采用全新的9V锂电池，传感器终端每隔30 min对水质参数进行1次采样。测试3个月后将相应的电池在实验室进行剩余电量估算，得到各节点电池的能耗情况(图6)。

由图6可知，终端节点的剩余电量几乎为总电量的2/3，由此可估计终端节点可正常工作大约300 d，与之前实验室所得数据基本吻合。路由节点13、14、15剩余电量约为总电量的3/5，可见转发数据所需能量相对较多。路由节点16剩余电量为总电量的1/2，所耗能量较多，这是因为其需要负责所有数据的转发。由此可见，采取节能策略后的终端节点可正常工作约300 d，普通路由节点可工作250 d，若转发数据任务越重，耗能越多。

图6 电池能耗测试结果

6 结论

以Zigbee为核心构建的无线水质监测系统可实现对水温、pH、溶氧等参数的有效监测，通过利用选通芯片控制各模块的供电时间，对采集的数据进行有选择性的发送，可大大降低整个无线监测系统的能耗。与传统的传感器一直工作、数据全部发送模式相比，电池使用时间可延长接近1倍，节能效果显著。

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Energy-saving design of water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS

ZHOU Haodong, HUANG Yan, LIU Wei

(Jiangxi Academy of Sciences,Nanchang 330029, China)

As to high energy loss and short battery life of wireless water quality monitoring system for aquaculture, energy-saving water quality monitoring system based on Zigbee and GPRS has been designed. Low power device is used to install gating chip ADG1414 between the power source and the sensor/signal processing circuit to control time-sharing and partitioned operation of each module, and reduce the power supply time of each module to reduce energy consumption of the hardware; a threshold is set to judge the collected data, and data within the range of threshold will not be sent, so that less data is sent and energy consumed by sending system data is reduced. Wireless sensor network centered on CC2530 is built to transmit the temperature, pH, dissolved oxygen and other water quality parameters collected by the sensor to the monitoring center, and real-time monitoring platform is built, based on which data management system is established to realize real-time monitoring of water quality environment for aquaculture. The results of system test and experiment show that the system can save energy effectively and extend the operation time of the battery for wireless water quality monitoring system effectively.

ZigBee; GPRS; water quality monitoring; energy-saving; aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.004

2017-05-04

南昌市科技局对外科技合作项目(2013HZCG009)

周皓东(1975—)，男，硕士，副研究员，研究方向：电子信息及其应用。E-mail：zhoudonny@qq.com

TP277

A

1007-9580(2017)04-024-06