水质信息实时监测系统的设计研究
摘 要：为了提高水质监测工作的信息化和智能化水平，降低水质监测的工作量，本文提出基于ZigBee无线传感器网络和ARM_Linux平台的水质信息实时监测系统，本系统由水质信息采集层、数据处理单元层和水质监测控制中心三部分组成，利用ZigBee技术和GPRS技术进行无线数据采集和数据传输，有效地解决了在水中布线困难、难维护等问题，能够实时、稳定地对水质信息进行远程采集和传输，满足了水质监测的需求，对水环境的保护具有重要意义。
关键词：ZigBee；ARM_Linux；无线传感器网络；实时监测；数据传输
水质监测是水资源保护与管理的基础，水质监测需要能够准确、及时、全面地反映水质现状及发展趋势，为水环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。
本文提出基于ZigBee无线传感器网络和ARM_Linux平台的水质信息实时监测系统，本系统由水质信息采集层、数据处理单元和水质监测控制中心三部分组成，实现对监测地区水域的温度、PH值、电导率和溶解氧等水质信息的实时采集、传输和处理，并通过对水质信息的分析，实现对水质变化状况的预测。本系统实现了对水质信息的远程实时监测，提高了水质监测工作的信息化和智能化水平。本文重点对水质信息采集层和数据处理单元进行设计研究。
1 水质信息采集层
本系统主要是对监测地区水域的温度、PH值、电导率和溶解氧进行水质信息采集。由于水质变化是一个缓慢的过程，我们设置为每四个小时采集一次，所以采集频率不高，每次采集的数据量不是很大，所以本系统水质信息采集层采用ZigBee无线组网技术。我们按照监控强度，将传感器节点按照一定的密度分布在监控水域中，通过ZigBee无线传输技术将若干个水质传感器节点采集的信息集中到ZigBee协调器节点，ZigBee协调器再将数据传输到ARM平台进行处理，完成水质信息的采集。
1.1 设计原理
本系统水质信息采集层采用ZigBee无线组网技术。ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的无线网络技术。它可以工作在2.4GHz频段，具有最高250Kb/s的数据传输速率，传输距离在10m～75m内。ZigBee协议组网灵活，网络中的从设备高达254个。ZigBee网络通过大量的带有传感器的ZigBee节点相互协调实现数据在网络中的通信。这些节点，一个接一个的以接力的方式通过无线电波为媒介将数据从一个节点传到另一个节点，所以数据传输的效率非常高。同时，传输过程中应用碰撞避免机制，提高数据传输的可靠性。
在水质监测环境中，大量的节点被随机放置在被监测水域内，选择芯片时既要满足工作需要，又要充分考虑通信模块抗干扰能力以及能量消耗问题。本系统选取专门针对ZigBee协议应用的CC2430芯片，该芯片具有超强的抗干扰能力和极低的功耗，是一款高性价比的无线射频芯片。
1.2 水质信息采集的实现
水质信息采集网络是由一个ZigBee协调器节点设备和分布在监测水域的若干个带有水质传感器ZigBee节点组成。ZigBee协调器完成组网功能，给无线网络中各节点分配地址、维护协调器与节点的通信、与数据处理单元互通信息等。分布在监测水域上的各个带有传感器的ZigBee节点完成水质数据的采集。传感器与CC2430之间通过信号调理电路连接。本系统主要对温度、PH值、电导率和溶解氧的水质参数进行采集，水质传感器选用专门应用于水下环境进行水质参数测量的WQ系列水质检测传感器（如果有其他需要可以增加传感器的种类和数量）。
负责采集监测水域的温度、PH值、电导率、溶解氧的传感器将采集到的数据信息首先传给信号调理电路，经过信号调理电路对信号进行调理，转换后传输给CC2430芯片。CC2430的内核是高性能的8051单片机，对采集到的数据信息进行处理。同时它还是整个ZigBee节点的控制管理中心，控制调理电路的工作频路，A/D转换器的采样频率，控制ZigBee节点与其它ZigBee节点或协调器节点进行通信。经过处理后的水质信息通过ZigBee节点的ZRF无线收发器转换成高频信号并发送给协调器节点，RF无线收发器还负责接收来自协调器的控制信号。最后经过处理的水质信息经过协调器节点发送给ARM数据处理单元。
2 数据处理单元
根据需要进行水质监测的水域面积，可以将被检测水域分成一个或者几个水质监测子区域。数据处理单元就是一个水质监测子区域的中心，它对其所属子区域中Zigbee无线传感器网络采集的水质信息进行收集、存储和处理，通过LCD显示屏直接显示水质状况，并通过GPRS网络连接远程水质监测控制中心，向其提供采集到的水质监测信息。同时，它接收水质监测控制中心的信息，完成对无线传感器网络的控制。
2.1 数据处理单元结构
数据处理单元以Linux 为操作系统，ARM9S3C2410 嵌入式控制器为处理器组成嵌入式系统。数据处理单元的硬件结构如图1所示。
ARM9S3C2410通过外部总线接口扩展了一片NAND Flash和两片SDRAM ，NAND Flash 主要用来存储系统的BootLoader程序和应用程序等，通过JTAG调试接口将BootLoader写入芯片。SDRAM 存储器主要是运行应用程序及加载内核。ARM9S3C2410通过串口外接GPRS模块和ZigBee协调器，并通过GPRS无线网络与水质监测控制中心实现数据传输。电源模块为数据处理单元提供稳定的电源。
2.2 设备驱动的实现
在Linux系统中通过设备驱动程序与硬件设备之间建立一个标准的抽象的接口。通过这个抽象接口，用户可以很方便的对硬件设备进行所需操作。
GPRS驱动程序用UART驱动来实现，主要包括设备初始化、打开、关闭、数据的发送和接收等函数，通过PPP完成网络数据的传输。
ZigBee协调器驱动通过在LINUX内核中加入字符驱动来实现，完成设备初始化，打开关闭，数据发送和接受等函数。字符驱动主要用file_operation 结构完成，注册完设备号后，当上层应用调用ZigBee协调器驱动程序时，需要完成以下功能：
1）初始化设备。在系统工作时，通过zigbee_int（）实现ZigBee协调器的初始化，判断能否正常连接，注册和中断。
2）按照ZigBee协议封装数据包并发送给CC2430，发送指令到CC2430，CC2430能正常完成指令命令；芯片能完成数据的收发功能。
3）当CC2430接收到的数据包与协议包格式不符时，要求用户重新发送数据。当发送数据错误时，可按照上位机要求重新发送数据。
4）通过zigbee_relese（structinode*inode， struct file*filp）函数实现释放程序运行中的所有资源。
3 总结
本文设计的水质信息实时监测系统通过监测水域中的水质传感器自动采集多种水质参数，实时快速地将采集到的水质信息通过ZigBee无线通信传输给数据处理单元，进行数据的初步处理，并进行打包后，通过GPRS信道将水质信息传输到远程水质监测控制中心服务器，完成对水质信息的分析，管理和存储。实验证明系统稳定可靠，安装和运行成本低廉，具有广泛的应用前景。
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