袁崇亮+亓相濤

摘要：該文設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能水質(zhì)監(jiān)測平臺。該智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)核心控制模塊采用S3C2440，協(xié)處理器采用stc89c54RD+單片機，stc89c54RD+單片機主要功能是輔助核心控制器模塊S3C2440。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計WiFi、藍牙、zigBee和GSM等技術(shù)作為輔助備用傳輸。系統(tǒng)核心控制器模塊$3C2440A采用了Al

關(guān)鍵詞：智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；$3C2440；stc89c54RD+單片機

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)化的深入，人類賴以生存的水體環(huán)境受到日益嚴重的危害，對于水源地的水質(zhì)監(jiān)測日益重要。而隨著水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，再加上為了節(jié)省人力物力成本，水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用而生并在某些國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。智能水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)作為信息時代智能化發(fā)展的產(chǎn)物，其主要表現(xiàn)為利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)將傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備設(shè)計為可以自動實時監(jiān)測水質(zhì)的水下智能機器人。其中這一整套技術(shù)系統(tǒng)則為本文中所設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。文中將信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等有機結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)相連接實現(xiàn)對水質(zhì)環(huán)境的智能監(jiān)控。本文設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過系統(tǒng)終端設(shè)備中的各類傳感器來采集水質(zhì)環(huán)境中的各種信息，同時運用大數(shù)據(jù)平臺進行后期數(shù)據(jù)分析，以此來達到對水質(zhì)環(huán)境的智能化監(jiān)測。在本文所設(shè)計系統(tǒng)中，用戶可以使用手持移動終端設(shè)備進行對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遠近程操控，極大地提高了水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境的高效性和便捷性。

1系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本文設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過系統(tǒng)終端設(shè)備中的各類傳感器來采集水質(zhì)環(huán)境中的各種信息，同時運用大數(shù)據(jù)平臺進行后期數(shù)據(jù)分析，以此來達到對水質(zhì)環(huán)境的智能化監(jiān)測。同時，用戶可以通過用戶移動終端設(shè)備（如：電腦、手機等）對系統(tǒng)進行遠近程操控。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

在待監(jiān)測的水質(zhì)環(huán)境中各個需要監(jiān)控的位置安裝智能水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，每臺設(shè)備通過安裝不同用途的傳感器，來實時監(jiān)測水質(zhì)信息。這些設(shè)備上的傳感器采集到的水質(zhì)信息會暫時儲存在微控制器S3C2440中，然后控制器S3C2440芯片對采集到信息進行統(tǒng)一處理，存放到數(shù)據(jù)傳輸模塊中，最后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上傳到服務(wù)器中。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)后臺會將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，然后通過大數(shù)據(jù)這個平臺，利用特定的算法進行數(shù)據(jù)處理，以此來預(yù)估未來某一時段的水質(zhì)信息，達到“水質(zhì)早知道”的目的。

用戶可以通過用戶終端設(shè)備進行觀測和查看水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及查看分析處理后的水質(zhì)信息動態(tài)變化圖。同時，用戶還可以利用用戶終端設(shè)備，來控制設(shè)備在水中的位置，以詳細的位置信息則會通過GPRS技術(shù)反饋到用戶終端。

推送報警功能，用戶可以提前設(shè)置一個數(shù)據(jù)指標范圍，當水質(zhì)指標超過這個推送報警范圍時。設(shè)備會及時推送報警，向用戶手機、電腦等智能終端發(fā)送推送報警信息和短信通知。

每臺設(shè)備在水中可以獨立的監(jiān)測水質(zhì)，也可以作為一個水質(zhì)信息采集點，與多臺設(shè)備利用無線通信技術(shù)，在HTFP、TCP或UDP通信協(xié)議下，形成一個大的自組織局域網(wǎng)絡(luò)。此設(shè)計針對水域較廣的地域，采集不同位置的水質(zhì)信息，綜合分析，是水質(zhì)監(jiān)測信息最終結(jié)果更加準確。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本文所設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，硬件是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有建立完善的硬件結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)才能穩(wěn)定、準確的運行。在本文所設(shè)計系統(tǒng)中，我們采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。此設(shè)計一方面可以簡化其配置、降低設(shè)計風(fēng)險、提高硬件的質(zhì)量和可靠性；另一方面模塊的不同組合能夠滿足用戶的多樣性需求。

2.1設(shè)備PCB原理圖、電路板模塊設(shè)計

2.1.1原理圖設(shè)計

產(chǎn)品的硬件設(shè)計第一步為原理圖設(shè)計，其分為兩部分：數(shù)據(jù)處理主控模塊與傳感器采集模塊。具體如圖2，圖3所示。

2.1.2 PCB設(shè)計

原理圖設(shè)計完成后，依據(jù)原理圖的劃分電路板的制作也分為數(shù)據(jù)處理主控模塊與傳感器采集模塊兩個部分，具體如圖所示。

具體工作原理：

當水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備電量不足時，它就會浮出水面，利用太陽能電池板（1）進行充電，充電完成后，它會繼續(xù)下潛回原來的位置進行水質(zhì)監(jiān)測工作。電路主控板（3）在潛行水質(zhì)監(jiān)測儀的中部，它是整臺設(shè)備的技術(shù)核心，主要控制設(shè)備的正常運行工作。傳感器在設(shè)備的最下端，主要來檢測水質(zhì)信息。根據(jù)不同的用途我們可以裝不同用途的傳感器，對此我們設(shè)置了傳感器預(yù)留口，這樣可以增加傳感器數(shù)量，以備根據(jù)不同用途增加不同用途傳感器。

進出水孔（5）在潛行水質(zhì)監(jiān)測儀的底部，設(shè)備下潛時會通過進水孔進水。以增加自身重量來達到下潛目的。上浮時，則通過上浮螺旋漿（6）來實現(xiàn)上浮。上內(nèi)蓋殼和下蓋殼之前的空間為蓄水倉（2），這是用來調(diào)整潛行水質(zhì)監(jiān)測儀在水中的深度，從進水孔（5）進來的水會進入蓄水倉（2），以增加自身重量來達到下潛和調(diào)整下潛深度的目的。水平螺旋槳（7）采用異步電機，用來調(diào)整水平位置，兩個電動機能異步轉(zhuǎn)動，可以調(diào)整潛行水質(zhì)監(jiān)測儀水平移動時的方向

2.2S3C2440微處理器控制模塊

S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核、CMOS標準宏單元、存儲器單元以及采用了新的總線架構(gòu)AMBA fAdvanced Microcontroller Bus Architecture）。由于AMBA低功耗、全靜態(tài)、低成本，特別適合于像本文系統(tǒng)中所設(shè)計的這種小型終端設(shè)備的應(yīng)用。

ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個都是由具有8字長的行組成。$3C2440A通過提供一整套完整的系統(tǒng)外設(shè)，降低了整體系統(tǒng)成本。芯片如圖9所示。

2.3傳感器模塊

傳感器模塊作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色，它主要負責信息的采集。在本文所設(shè)計水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，它主要負責水質(zhì)信息的監(jiān)測與信息采集。以下是本文所涉及的幾種常用傳感器。

1）溫度傳感器

2）pH值傳感器

3）濁度傳感器

3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，我們將整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶端模塊和設(shè)備終端模塊，其中用戶端模塊又分為手機端和PC端兩個模塊結(jié)構(gòu)。用戶端與設(shè)備終端主要通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及GSM網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)通訊及數(shù)據(jù)傳輸，多個設(shè)備終端之間的信息交流則主要通過藍牙、WiFi、ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊傳輸。系統(tǒng)后臺可以將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)運用大數(shù)據(jù)平臺進行分析、處理后反饋給用戶端，用戶可以通過用戶端對數(shù)據(jù)進行查看，同時也可以對系統(tǒng)設(shè)備進行遠近程操控，實現(xiàn)對設(shè)備終端的全方位控制。

3.1手機端模塊軟件設(shè)計

1）手機端模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)

在本文設(shè)計系統(tǒng)中，我們采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。從上到下共分為四層，分別是用戶界面層、用戶功能層、中間件層和操作系統(tǒng)層。其中中間件層又分為核心功能層和基礎(chǔ)功能層。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖14所示。

2）手機端APP設(shè)計

手機APP設(shè)計界面，如下圖所示，當用戶登錄APP后，可后臺運行，多個水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備可同時在線，用戶可設(shè)置多種數(shù)據(jù)顯示形式，分析結(jié)果直接在APP顯示。同時也可提前設(shè)置數(shù)據(jù)警告范圍，當超過數(shù)據(jù)警告范圍時，推送報警信息會利用GSM技術(shù)發(fā)送到手機短信中。用戶還可以直接控制設(shè)備。控制它在水中的運行。

3.2PC端模塊軟件設(shè)計

PC端登錄成功后，PC端模塊會通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備搭建連接，連接成功后，PC端界面會通過GPRS對其定位，同時顯示當前已采集的水質(zhì)監(jiān)測信息。若用戶要改變終端設(shè)備監(jiān)測位置，則用戶可以選擇進入用戶模式，進入用戶模式后就可以直接發(fā)送前進、后退、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的指令到終端設(shè)備上，實現(xiàn)對終端設(shè)備的移動。用戶如果不想直接控制，則可以選擇終端設(shè)備模式，開啟終端設(shè)備模式后，程序會進入接收設(shè)備主控模塊指令狀態(tài)，設(shè)備自動運行。PC端模塊的登錄界面以及成功登陸界面如圖19、20所示。

4系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計WiFi、藍牙、ZigBee和GSM等技術(shù)作為輔助備用通信，因考慮到系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。本系統(tǒng)暫時只支持HTTP、TCP和UDP三種通信協(xié)議。

本文系統(tǒng)中的終端設(shè)備主要利用的是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進行信息交流，WiFi、藍牙、GPRS等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為備用通信網(wǎng)絡(luò)。而終端設(shè)備和用戶端之間則利用的是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍牙、GPRS、GSM網(wǎng)絡(luò)來進行通信。其中不管是在微控制器之間還是微控制器和用戶終端之間，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍牙、GSM網(wǎng)絡(luò)等通信方式都可以隨時切換，這樣的設(shè)計保證了通信的穩(wěn)定性。哪種通信方式壞了會隨時切換到另一種通信方式。

1）GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

本文所設(shè)計系統(tǒng)中，關(guān)于GPRS/GSM系統(tǒng)模塊，我們采用的是SIM300C。它是該系統(tǒng)模塊中的核心模塊，采用小巧外形的的工業(yè)化設(shè)計標準，幾乎可以滿足任何工業(yè)化的需求，尤其是對小型工業(yè)設(shè)備。同時，它支持GSM/GPRS900-/1800/1900MHz三頻的低功耗模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以提供高質(zhì)量語音通信服務(wù)、SMS、傳真信息和GPRSClass 10的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該設(shè)計主要用來實現(xiàn)終端設(shè)備與用戶端的數(shù)據(jù)傳輸。芯片如圖21所示。

2）WiFi/GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在本文所設(shè)計系統(tǒng)中，我們采用的是一種價格低廉、抗干擾能力強、傳輸速率快，基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，WiFi模塊可以與用戶端（手機端、PC端）互聯(lián)，也可以通過ZigBee協(xié)調(diào)器利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與另一臺設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與用戶終端、WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)互相傳遞。

3）ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種價格低廉、功耗少、短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線通訊技術(shù)。在本文所設(shè)計系統(tǒng)中，我們采用的是ZigBee（IEE 802.15.4），此設(shè)計主要用來設(shè)備與設(shè)備之間的短距離無線通訊、數(shù)據(jù)傳輸。

5結(jié)論

文中設(shè)計的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另設(shè)計WiFi、藍牙、ZigBee和GSM等技術(shù)作為輔助設(shè)計來實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、動態(tài)性，并結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺分析處理后期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，達到智能化監(jiān)測控制效果。在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們還采用了模塊化、層次化設(shè)計方法，使得該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，更具有穩(wěn)定性、靈活性和兼容性。最重要的是，用戶可以隨時通過手機端、PC端等智能端，遠程操控水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，以及時查看大數(shù)據(jù)平臺分析后的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。這極大地改善了水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的方便性、合理性。大大降低水質(zhì)監(jiān)測的成本。本文所設(shè)計系統(tǒng)符合當前的水質(zhì)監(jiān)測市場的發(fā)展方向，適合當前水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。endprint