鄭慧珍

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，福建 漳州 363000 ）

二次供水在全國(guó)范圍內(nèi)普遍采用，給水設(shè)施給自來(lái)水帶來(lái)的二次污染非常嚴(yán)重[1].自來(lái)水經(jīng)過(guò)管網(wǎng)進(jìn)入儲(chǔ)水構(gòu)筑物的過(guò)程中，管網(wǎng)老化和鋼筋混凝土?xí)?dǎo)致雜質(zhì)增多，余氯消退較快，水質(zhì)惡化較快.有關(guān)部門對(duì)二次供水的監(jiān)測(cè)和管理需要耗費(fèi)巨大人力物力.因此，急需建立一個(gè)二次供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全天候監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，自動(dòng)上傳網(wǎng)絡(luò)，方便居民和管理部門共同監(jiān)管.

目前，我國(guó)的水質(zhì)分析儀器主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，一般企業(yè)很難接受.每個(gè)居民區(qū)的二次供水儲(chǔ)水構(gòu)筑物較多，適合我國(guó)現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)設(shè)備較少.文獻(xiàn)[2]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，但是并沒(méi)有對(duì)各傳感節(jié)點(diǎn)的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[3]基于ZigBee 提出一種多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在100 m 范圍內(nèi)收集水質(zhì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，不適用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè).文獻(xiàn)[4]提出一種采用廣域網(wǎng)和ZigBee相結(jié)合的通信方式，較適用于居民小區(qū)二次供水監(jiān)測(cè)，但是各節(jié)點(diǎn)電源布線繁瑣.針對(duì)以上問(wèn)題，提出一款二次供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)器，全天候定時(shí)采集濁度、pH 值、耗氧量、電導(dǎo)率和余氯等參數(shù).采用ZigBee 技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的自動(dòng)組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器.采用太陽(yáng)能電池加鋰電池供電的方式，避免了繁瑣的布線，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守全天候監(jiān)測(cè).

1 檢測(cè)器的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以TI 公司的CC2430 芯片作為通信芯片和主控模塊.該芯片是一款集成了ZigBee 通信協(xié)議的可編程芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的同時(shí)控制整機(jī)電路運(yùn)行.傳感器在CC2430 芯片控制下檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)，通過(guò)RS485 接口將數(shù)據(jù)上傳至該芯片.CC2430 將數(shù)據(jù)處理成幀后，通過(guò)ZigBee 通信協(xié)議上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)批量上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器[6，7].

傳感器節(jié)點(diǎn)以CC2430 芯片為主控/通信芯片，定時(shí)喚醒至全功耗模式，搜索特定編號(hào)的ZigBee 子網(wǎng)并加入.讀取傳感器測(cè)得的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee 通信單元將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).喚醒后完成既定檢測(cè)任務(wù)后，關(guān)閉外圍電路，自主進(jìn)入休眠模式，達(dá)到節(jié)約電能的效果，等待下一個(gè)定時(shí)喚醒信號(hào)[8].系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)采集和傳輸多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò).該系統(tǒng)主要分為三層：最底層是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)水質(zhì)參數(shù)的采集；中間層是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要對(duì)底層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存；頂層是組態(tài)軟件監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理和保存.

1.1 ZigBee 模塊

居民小區(qū)二次供水設(shè)備分散于各個(gè)樓棟，若水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用有線傳輸，勢(shì)必帶來(lái)很多施工困難.各個(gè)居民小區(qū)樓棟數(shù)量不一.ZigBee 技術(shù)具有免布線、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，與二次供水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)契合度極高.系統(tǒng)中ZigBee 模塊負(fù)責(zé)讀取傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)打包后，調(diào)用ZigBee 通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).系統(tǒng)采用設(shè)備ID 認(rèn)證技術(shù)解決系統(tǒng)自組網(wǎng)以及非法設(shè)備干擾問(wèn)題.系統(tǒng)芯片定時(shí)進(jìn)入休眠并自動(dòng)定時(shí)喚醒，降低整機(jī)功耗，提高電池續(xù)航能力.圖1 為ZigBee 模塊.

圖1 ZigBee 模塊

1.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)采用JG-Eightpro-485 多合一傳感器.該傳感器是一款數(shù)字傳感器，提供6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型傳感器，遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus 協(xié)議，堅(jiān)固耐用且可靠精確.該傳感器中可選的采集參數(shù)有pH 值、耗氧量、電導(dǎo)率、溫度、余氯、濁度等，可任意選擇所要探測(cè)的參數(shù)進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè).采集精度和穩(wěn)定性高，工作電壓為12 V或5 V，防水等級(jí)達(dá)到IP68，可適應(yīng)長(zhǎng)期浸泡的工作環(huán)境.該傳感器采用RS485 接口與CPU 進(jìn)行通信，工作電流達(dá)到百毫安級(jí)別.本設(shè)計(jì)采用智能電源控制技術(shù)解決功耗問(wèn)題，提高太陽(yáng)能電池續(xù)航能力，并免除了市電供電的布線問(wèn)題.傳感器具體參數(shù)如表1 所示.

表1 JG-Eightpro-485 多合一傳感器的技術(shù)參數(shù)

1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊

日照條件不同則太陽(yáng)能電池板的輸出電壓隨之變化，直接用于供電不利于設(shè)備穩(wěn)定，需對(duì)鋰電池進(jìn)行充電后再加以利用.系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使電路能直接供電且能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電能進(jìn)行儲(chǔ)存.BQ24210 器件是一款高度集成的鋰離子線性充電器，負(fù)責(zé)管理鋰電池的充電[9-11].太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸入到BQ24210 芯片.由BQ24210 管理鋰電池BT 的充電和過(guò)溫保護(hù)，防止鋰電池過(guò)充電和溫度過(guò)高，大大延長(zhǎng)鋰電池的壽命.傳感器節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)期工作而無(wú)需更換電池，保證傳感器節(jié)點(diǎn)的供電需求，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì).如圖2 所示為太陽(yáng)能供電電源模塊，太陽(yáng)能電池板正極連接Vi端子.采用電源芯片TPS62203、TPS61256 和LM4132 產(chǎn)生3.3 V、5 V 和2.5 V 電源，滿足整機(jī)電源需求.主控核心對(duì)電池正極電壓進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，通過(guò)信道傳輸至服務(wù)器，方便服務(wù)器跟蹤監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能板和鋰電池狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)和排除故障.

圖2 太陽(yáng)能供電電源模塊

2 檢測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)可分為傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、數(shù)據(jù)通信及處理模塊和頂層組態(tài)軟件.頂層組態(tài)軟件作為監(jiān)控界面的上位機(jī)操作環(huán)境.圖3 為傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在CC2430 芯片外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器用于緩存數(shù)據(jù).ZigBee 網(wǎng)絡(luò)定期接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中，并用“

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