基于ZigBee無線傳感器網絡的工業污水監測系統的設計

摘要：針對目前工業污水監測中數據采集難度大、實時性不強等問題，研究并設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的污水遠程監測系統。系統以ZigBee無線通訊技術為基礎，搭建起無線通訊網絡，實現了污水數據的自動采集及遠距離傳輸。實驗測試表明，系統傳輸速率快，實時性強，穩定性高，可以有效地對工業污水進行遠程監測。

0 引言

隨著我國工業生產能力的迅猛發展，工業污水的排放量曰益增加，達不到排放標準的污水排入水體后，將對地表及地下水造成巨大的污染，因此對污水進行實時而準確的監測就顯得尤為重要。目前我國的工業污水監測手段仍主要停留在手工測量階段，效率低下、數據采集難度大、污水監測缺乏實效性，對后續的污水處理帶來諸多不便。部分企業以及廠家雖然己采用了有線污水監控系統，但是由于污水源眾多且分布較零散，采用有線的監測方式無論在成本上還是系統的可靠性上都難以達到理想的效果。

基于這些問題，本文設計了一種新型的基于ZigBee無線傳感器網絡的工業污水遠程監測系統。系統利用ZigBee無線通訊技術搭建起數據遠程無線傳輸平臺，實現了污水信息的遠距離、自動化監測與傳輸，有效解決了污水監測的實時性與可靠性問題，具有很高的推廣應用價值。

1 工業污水遠程監測系統設計方案

系統設計的思想是用監測傳感器和ZigBee無線模塊組成一個無線傳輸網絡，使數據可以在此網絡中快速實時地進行傳輸。

系統主要由4部分組成：數據采集終端節點、路由節點、協調器節點、監控中心，其結構如圖1所示。其中，數據采集終端節點、路由節點、協調器節點組成ZigBee無線傳感器網絡，負責信息的采集與傳輸，最終將信息發送給監控中心，使監控人員能及時獲得污水信息，做出下一步的處理。

數據采集終端節點主要負責污水數據的采集、處理和發送;路由節點和協調器節點主要負責組建無線傳輸網絡、管理節點的加入和離開，當現有網絡節點發生變化時，可以通過重新尋找通信節點，對原有網絡進行刷新以組建新的網絡，并把終端節點采集的數據傳送到監控中心。

1.1 ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee無線傳感器網絡是本系統的核心，其組網靈活方便、傳輸速度快、兼容性強，且成本不高。網絡基于ZigBee無線通信技術進行組建，由分布在各污水監測點的數據采集終端組成，每一處監測點均放置一個數據采集終端。數據采集終端由PH傳感器、溶解氧傳感器和Zig Bee模塊組成。數據采集終端主要負責污水信息的實時采集，各監測點采集到的污水信息經Atmega16單片機處理后，由ZigBee模塊打包成通信協議包，通過TCP/IP協議傳至協調器節點，并最終將信息上傳至監控中心，予以實時監測。

1.2 協調器節點

協調器節點作為信息匯聚節點，主要負責將每個數據采集終端節點發送過來的數據進行匯總，利用TCP/IP協議，將數據通過無線或有線的方式發送給監控中心。本文中，協調器節點通過串口通信方式連接監控中心的上位機PC。

1.3 監控中心

監控中心通常設置在企業或者工廠的調度室里，距離污水監測點較遠，主要對由網絡協調器節點發送過來的污水數據進行分析處理、實時監控，確定各污水監測點的污水指標，進而通知有關人員采取相應的處理措施。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集終端節點硬件設計

數據采集終端節點是監測系統的重要組成部分，一般而言，由監測傳感器、ZigBee無線傳感器、單片機和電源模塊組成。為使污水監測更加精確可靠，應將數據采集終端節點分散布置在各污水監測區域。

本設計選用的ZigBee無線傳感器模塊為TI公司生產的片上系統解決方案CC2530芯片。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE協議，支持可編程閃存，集成了增強型8051CPU、32/64/128/256KB閃存、8 KB RAM、RF收發器等高性能模塊，使得其尤其適應超低功耗要求的系統。

選用Atmega16單片機作為數據采集終端節點的核心器件。Atmega16是一種基于增強RISC結構、CMOS技術的低功耗8位微控制器，其價格較低、運行速度快、數據吞吐率高，能有效滿足污水數據實時處理的需要。

本設計用于采集污水污染指標的監測傳感器分為PH值傳感器和溶解氧傳感器。首先，各污水監測點傳感器將采集到的水的PH值、溶解氧等指標進行分析處理，然后將數據發送給Atmega16單片機，待Atmega16單片機對數據做進一步處理后，將此數據以及網絡地址、MAC地址通過ZigBee無線通信模塊經網絡路由節點一并發送給網絡協調器節點。

電源模塊方面，數據采集終端節點采用7.2V可充電鋰電池，通過高轉換效率的LDO對各器件供電。ZigBee無線網絡的功耗較低，經測試，電池充一次電，可穩定供電3個月。

數據采集終端節點硬件結構圖如圖2所示。

2.2 協調器節點電路設計

網絡協調器節點是整個無線傳感器網絡的核心，負責網絡的組建和管理，維護網絡的正常運行，給新入節點分配網絡地址。它的核心是以CC2530為處理器的ZigBee無線通信模塊。

協調器節點的電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

ZigBee無線傳感器網絡是監測系統的核心，因此，其軟件部分的設計也是系統軟件設計的核心，主要包括數據采集終端節點、路由節點和協調器節點三部分的軟件設計。

3.1 數據采集終端節點的軟件設計

數據采集終端節點上電后，ZigBee無線模塊首先初始化，然后監聽默認信道，進行網絡搜索。當搜索到網絡后，發出入網請求，待協調器節點收到請求，給其分配網絡地址，即入網成功。入網后，查詢是否有網關發來的指令需要接收，若有，則對指令進行處理，否則，直接開啟中斷，執行發送準備工作，準備工作結束后對數據按格式要求進行封裝、發送。發送完成后進入休眠狀態等待喚醒。其工作流程如圖4所示。

3.2 協調器節點的軟件設計

協調器節點在正常工作前，要首先進行系統初始化，包括I/O接口、外設等硬件初始化和ZigBee網絡層、MAC層等協議棧初始化。本系統中，協調器節點主要用做兩方面功能：一是充當協調器，二是充當路由器。協調器節點的主要任務是組建網絡、管理節點的加入和離開、維護網絡的正常運行。其工作流程如圖5所示。

3.3 節點組網方式

ZigBee無線傳感器網絡是自組織網絡，每一個節點都具備路由和數據轉發的功能，其組網方式主要有星型、簇型、網型三種。本文里，我們采用簇型拓撲結構進行組網。

4 實驗結果

上位機是監控中心工作人員獲得現場污水指標的主要媒介。采用Labview開發了上位機圖形界面，提供了良好的人機交互界面。

上位機界面主要包括數據顯示、數據存儲、信息反饋、數據通信等功能。其中數據顯示主要用于實時顯示污水PH值、溶解氧等參數。

系統上電后，在上位機界面點擊啟動網絡按鈕，系統將進入自組網功能，和數據采集終端節點建立網絡連接，協調器節點將終端節點發送的數據進行匯總，并通過RS232串口傳至上位機，上位機對數據進行分析并顯示數據。

選取某一具體污水區域進行監測，例如，選取某城市大東區的污水排放區域進行監控，共布置5組數據采集終端節點，所得監測結果如圖6所示。

基于此，工作人員就能方便及時地掌握污水區域的各項指標，實現對污水指標的全天候不間斷監控，也便于去及時解決發現的問題。

5 結論

ZigBee無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、高可靠性等優點，利用其構建工業污水遠程監測系統能大大降低整個系統的成本，提高系統的靈活性和智能化。基于ZigBee無線傳感器網絡的工業污水遠程監測系統有著廣泛的市場空間，對加強環境保護有著重要意義。