基于ZigBee无线传感器网络的工业污水监测系统的设计

 摘要：针对目前工业污水监测中数据采集难度大、实时性不强等问题，研究并设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的污水远程监测系统。系统以ZigBee无线通讯技术为基础，搭建起无线通讯网络，实现了污水数据的自动采集及远距离传输。实验测试表明，系统传输速率快，实时性强，稳定性高，可以有效地对工业污水进行远程监测。

0 引言

随着我国工业生产能力的迅猛发展，工业污水的排放量曰益增加，达不到排放标准的污水排入水体后，将对地表及地下水造成巨大的污染，因此对污水进行实时而准确的监测就显得尤为重要。目前我国的工业污水监测手段仍主要停留在手工测量阶段，效率低下、数据采集难度大、污水监测缺乏实效性，对后续的污水处理带来诸多不便。部分企业以及厂家虽然己采用了有线污水监控系统，但是由于污水源众多且分布较零散，采用有线的监测方式无论在成本上还是系统的可靠性上都难以达到理想的效果。

基于这些问题，本文设计了一种新型的基于ZigBee无线传感器网络的工业污水远程监测系统。系统利用ZigBee无线通讯技术搭建起数据远程无线传输平台，实现了污水信息的远距离、自动化监测与传输，有效解决了污水监测的实时性与可靠性问题，具有很高的推广应用价值。

1 工业污水远程监测系统设计方案

系统设计的思想是用监测传感器和ZigBee无线模块组成一个无线传输网络，使数据可以在此网络中快速实时地进行传输。

系统主要由4部分组成：数据采集终端节点、路由节点、协调器节点、监控中心，其结构如图1所示。其中，数据采集终端节点、路由节点、协调器节点组成ZigBee无线传感器网络，负责信息的采集与传输，最终将信息发送给监控中心，使监控人员能及时获得污水信息，做出下一步的处理。

数据采集终端节点主要负责污水数据的采集、处理和发送;路由节点和协调器节点主要负责组建无线传输网络、管理节点的加入和离开，当现有网络节点发生变化时，可以通过重新寻找通信节点，对原有网络进行刷新以组建新的网络，并把终端节点采集的数据传送到监控中心。

1.1 ZigBee无线传感器网络

ZigBee无线传感器网络是本系统的核心，其组网灵活方便、传输速度快、兼容性强，且成本不高。网络基于ZigBee无线通信技术进行组建，由分布在各污水监测点的数据采集终端组成，每一处监测点均放置一个数据采集终端。数据采集终端由PH传感器、溶解氧传感器和Zig Bee模块组成。数据采集终端主要负责污水信息的实时采集，各监测点采集到的污水信息经Atmega16单片机处理后，由ZigBee模块打包成通信协议包，通过TCP/IP协议传至协调器节点，并最终将信息上传至监控中心，予以实时监测。

1.2 协调器节点

协调器节点作为信息汇聚节点，主要负责将每个数据采集终端节点发送过来的数据进行汇总，利用TCP/IP协议，将数据通过无线或有线的方式发送给监控中心。本文中，协调器节点通过串口通信方式连接监控中心的上位机PC。

1.3 监控中心

监控中心通常设置在企业或者工厂的调度室里，距离污水监测点较远，主要对由网络协调器节点发送过来的污水数据进行分析处理、实时监控，确定各污水监测点的污水指标，进而通知有关人员采取相应的处理措施。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集终端节点硬件设计

数据采集终端节点是监测系统的重要组成部分，一般而言，由监测传感器、ZigBee无线传感器、单片机和电源模块组成。为使污水监测更加精确可靠，应将数据采集终端节点分散布置在各污水监测区域。

本设计选用的ZigBee无线传感器模块为TI公司生产的片上系统解决方案CC2530芯片。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE协议，支持可编程闪存，集成了增强型8051CPU、32/64/128/256KB闪存、8 KB RAM、RF收发器等高性能模块，使得其尤其适应超低功耗要求的系统。

选用Atmega16单片机作为数据采集终端节点的核心器件。Atmega16是一种基于增强RISC结构、CMOS技术的低功耗8位微控制器，其价格较低、运行速度快、数据吞吐率高，能有效满足污水数据实时处理的需要。

本设计用于采集污水污染指标的监测传感器分为PH值传感器和溶解氧传感器。首先，各污水监测点传感器将采集到的水的PH值、溶解氧等指标进行分析处理，然后将数据发送给Atmega16单片机，待Atmega16单片机对数据做进一步处理后，将此数据以及网络地址、MAC地址通过ZigBee无线通信模块经网络路由节点一并发送给网络协调器节点。

电源模块方面，数据采集终端节点采用7.2V可充电锂电池，通过高转换效率的LDO对各器件供电。ZigBee无线网络的功耗较低，经测试，电池充一次电，可稳定供电3个月。

数据采集终端节点硬件结构图如图2所示。

2.2 协调器节点电路设计

网络协调器节点是整个无线传感器网络的核心，负责网络的组建和管理，维护网络的正常运行，给新入节点分配网络地址。它的核心是以CC2530为处理器的ZigBee无线通信模块。

协调器节点的电路如图3所示。

3 系统软件设计

ZigBee无线传感器网络是监测系统的核心，因此，其软件部分的设计也是系统软件设计的核心，主要包括数据采集终端节点、路由节点和协调器节点三部分的软件设计。

3.1 数据采集终端节点的软件设计

数据采集终端节点上电后，ZigBee无线模块首先初始化，然后监听默认信道，进行网络搜索。当搜索到网络后，发出入网请求，待协调器节点收到请求，给其分配网络地址，即入网成功。入网后，查询是否有网关发来的指令需要接收，若有，则对指令进行处理，否则，直接开启中断，执行发送准备工作，准备工作结束后对数据按格式要求进行封装、发送。发送完成后进入休眠状态等待唤醒。其工作流程如图4所示。

3.2 协调器节点的软件设计

协调器节点在正常工作前，要首先进行系统初始化，包括I/O接口、外设等硬件初始化和ZigBee网络层、MAC层等协议栈初始化。本系统中，协调器节点主要用做两方面功能：一是充当协调器，二是充当路由器。协调器节点的主要任务是组建网络、管理节点的加入和离开、维护网络的正常运行。其工作流程如图5所示。

3.3 节点组网方式

ZigBee无线传感器网络是自组织网络，每一个节点都具备路由和数据转发的功能，其组网方式主要有星型、簇型、网型三种。本文里，我们采用簇型拓扑结构进行组网。

4 实验结果

上位机是监控中心工作人员获得现场污水指标的主要媒介。采用Labview开发了上位机图形界面，提供了良好的人机交互界面。

上位机界面主要包括数据显示、数据存储、信息反馈、数据通信等功能。其中数据显示主要用于实时显示污水PH值、溶解氧等参数。

系统上电后，在上位机界面点击启动网络按钮，系统将进入自组网功能，和数据采集终端节点建立网络连接，协调器节点将终端节点发送的数据进行汇总，并通过RS232串口传至上位机，上位机对数据进行分析并显示数据。

选取某一具体污水区域进行监测，例如，选取某城市大东区的污水排放区域进行监控，共布置5组数据采集终端节点，所得监测结果如图6所示。

基于此，工作人员就能方便及时地掌握污水区域的各项指标，实现对污水指标的全天候不间断监控，也便于去及时解决发现的问题。

5 结论

ZigBee无线传感器网络具有低功耗、低成本、高可靠性等优点，利用其构建工业污水远程监测系统能大大降低整个系统的成本，提高系统的灵活性和智能化。基于ZigBee无线传感器网络的工业污水远程监测系统有着广泛的市场空间，对加强环境保护有着重要意义。