安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 王富羅

廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 陳 龍

溫州市鹿城區(qū)中津先進(jìn)科技研究院 王 勇

瑞晟微電子（蘇州）有限公司 李 濤

優(yōu)選水環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 王富羅

廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 陳 龍

溫州市鹿城區(qū)中津先進(jìn)科技研究院 王 勇

瑞晟微電子（蘇州）有限公司 李 濤

為滿足室外水體環(huán)境的實(shí)時(shí)環(huán)保監(jiān)測(cè)需求，提出一種優(yōu)選的水環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以pH傳感器、溶解氧傳感器及透明度傳感器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入端口，分別監(jiān)測(cè)被測(cè)水體的pH、溶解氧以及透明度，所檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的發(fā)送天線，經(jīng)過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)被測(cè)水體環(huán)境的實(shí)時(shí)智能化監(jiān)測(cè)。

水環(huán)境；傳感器；智能化監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

越來(lái)越多的系統(tǒng)[1][2]采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)節(jié)約成本、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能、高可靠監(jiān)測(cè)管理。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器組（包括pH、溶解氧、透明度）、傳感器底座、電源控制模塊、網(wǎng)關(guān)等4大模塊組成。傳感器底座是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)連接傳感器組以及發(fā)射天線，并實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的無(wú)線控制信號(hào)的響應(yīng)和對(duì)傳感器組的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器組模塊

對(duì)于水環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，現(xiàn)有的測(cè)試指標(biāo)往往只關(guān)注pH、亞硝酸根例子濃度、COD濃度等指標(biāo)當(dāng)中的一個(gè)或者多個(gè)，在選取監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)往往具有隨意性。而亞硝酸根離子濃度易于被環(huán)境當(dāng)中的氧化劑經(jīng)化學(xué)氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成無(wú)毒的硝酸根離子，不一定適合重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。此外，COD濃度往往需要依靠專門的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析，不適合于用于水體環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，我們優(yōu)選pH、溶解氧、透明度作為水體環(huán)境監(jiān) 測(cè)的指標(biāo)，并將相應(yīng)的傳感器組成傳感器組用于監(jiān)測(cè)水質(zhì)。

2.1.1 pH傳感器

本系統(tǒng)中的PH值傳感器采用了E201-9型pH電極。該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼不可充式復(fù)合電極，用于測(cè)量水溶液中的氫離子活度。使用該電極制作的PH值傳感器具備以下本系統(tǒng)的要求：電極具有穩(wěn)定的液接界；電極不易污染，堵塞，使用壽命長(zhǎng)；參比系統(tǒng)采用高分子聚合物填充，使用方便，無(wú)須補(bǔ)充電解液；電極響應(yīng)靈敏（數(shù)秒）穩(wěn)定性好，抗干擾性能強(qiáng)；測(cè)量范圍0～14ph；耐壓力0.6MPa；電極適用于各種低電導(dǎo)率的場(chǎng)合。根據(jù)被測(cè)溶液的酸堿度不同，pH符合電極產(chǎn)生不同的直流電位，這樣就可以將酸堿度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行采集。

2.1.2 溶解氧傳感器

溶氧度是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，也是衡量水質(zhì)的綜合指標(biāo)。本系統(tǒng)中的溶氧度傳感器采用了極譜型溶氧傳感器，采用Clark極譜電池技術(shù)，由金陰極、銀陽(yáng)極和銀參考電極組成三傳感器系統(tǒng)。對(duì)銀參考傳感器采用恒定的電壓進(jìn)行極化，起到了穩(wěn)定測(cè)量值的作用，避免了傳統(tǒng)兩傳感器系統(tǒng)的干擾，并有效降低了測(cè)量中的漂移。針對(duì)極譜型溶氧度傳感器，我們?cè)O(shè)計(jì)電壓信號(hào)三級(jí)放大電路。每個(gè)LM324都有4路放大電路。我們通過(guò)調(diào)整電阻R4/R5的比例關(guān)系控制第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R8/R9的比例關(guān)系控制第二級(jí)放大倍數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R10/R11來(lái)控制第三級(jí)放大倍數(shù)。通過(guò)多級(jí)放大，可以檢測(cè)本套系統(tǒng)中溶氧度傳感器兩極微弱的電壓差，提高溶氧度傳感器的檢測(cè)精度。

2.1.3 透明度傳感器

采用激光發(fā)射電路來(lái)檢測(cè)水質(zhì)的透明度。一端作為發(fā)射極，另一端作為接收極，以接收極為傳感器感應(yīng)的一端，通過(guò)放大電路，將接收級(jí)的微弱的電壓差放大到一定倍數(shù)，然后采用ZigBee通信模塊上集成的AD采集功能。我們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)電阻型放大電路，使用兩級(jí)放大，倍率約14倍。

2.2 電源控制模塊

在初始測(cè)試中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用5V電源供電，在后期的實(shí)際應(yīng)用中采用手機(jī)電池供電。為此，我們?cè)陔娫唇涌谔幵O(shè)計(jì)了手機(jī)電池卡槽以及為方便測(cè)試焊接的導(dǎo)引線。該模塊采用MIC2026模塊為該電路板提供5V和3.3V供電。主要是為3.3V供電。在Zigbee模塊工作的情況下，如果使能引腳ENA，即置PTA1為高電平，OUTA 輸出VCC為5V。如果使能ENB，即置Zigbee的PTA2引腳為高電平，OUTB輸出5V，Vin為5V再通過(guò)后面的電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3將Vin轉(zhuǎn)化為3.3V。該電路的每路通道最大500mA,但目標(biāo)板需要的電流比較大時(shí)，可以使用PS-R1將兩路輸出通道合并。要實(shí)現(xiàn)以上功能，就必須將PTA1和PTA2引腳同時(shí)使能。在此塊電路板中還需要產(chǎn)生負(fù)電壓。該節(jié)點(diǎn)模塊采用ME7660芯片將VCC轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。

2.3 傳感器底座

包括測(cè)試底座板和無(wú)線通信子模塊兩部分。通信子模塊采用MC13213芯片，該芯片將GB60和Zigbee模塊集成在一起，效率更高。該模塊單獨(dú)封裝為一個(gè)成熟模塊，將串口和其他一些接口留出來(lái)和數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊相接。底座板細(xì)分為傳感器模塊、串口發(fā)送模塊和調(diào)試模塊。傳感器模塊提供了上述傳感器組的掛載接口，串口發(fā)送模塊用于連接無(wú)線通信模塊，即數(shù)據(jù)收發(fā)天線。調(diào)試模塊用于程序的燒寫和調(diào)試。

2.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)GPRS/3G網(wǎng)關(guān)的主控模塊采用了MCF52223芯片。GPRS模塊硬件分為SIM接口和EM310模塊。GPRS/3G網(wǎng)關(guān)的ZigBee主體模塊和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一樣，均是采用了ZigBee平臺(tái)MC13213。為保障防水性能，采用一個(gè)卡扣的塑料盒子。該盒子自身是具有防水性能的，但是我們需要將傳感器引出來(lái)，所以必須將這個(gè)盒子打個(gè)洞。所以在該洞處采用了橡皮式的防水接口進(jìn)行封閉。在天線設(shè)計(jì)上，由于考慮到在上面打洞會(huì)比較困難，所以本設(shè)計(jì)將傳感器和天線的洞口進(jìn)行公用。

3 結(jié)語(yǔ)

采用MC13213芯片、EM310芯片、多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體環(huán)境導(dǎo)致電信號(hào)變化的及時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)收發(fā)天線將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的智能化。采用地址編碼，只需增加部署的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，以及分管網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，系統(tǒng)將可以方便的擴(kuò)展，對(duì)于當(dāng)今環(huán)保監(jiān)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1]Long Chen,Liusheng Huang,Weijie Guo,et al.,Design and Implementation of a Testbed for WSNs Monitoring Aquatic Environment[C].WOCC 2013,Chongqing,China.

[2]D.Johnson,T.Stack,R.Fish,D.M.Flicking,L.Stoller,R.Ricci,and J.Lepreau,Mobile emulab:A robotic wireless and sensor network testbed,in Proceedings of the 25th Conference on Computer Communications[C].April 2006.