摘 要：在研究無線傳感器網(wǎng)絡基礎上，對遠程實時鄱陽湖水質監(jiān)測系統(tǒng)進行了分析。應用 S3C44B0和 WISMOQ2403設計了無線傳感器網(wǎng)絡的硬件系統(tǒng)，并使用該網(wǎng)絡對pH值等水質參數(shù)進行監(jiān)測。實驗結果表明，該系統(tǒng)能對水質參數(shù)進行實時有效的采集。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡； 水質檢測； S3C44B0； GPRS網(wǎng)絡
江西境內的鄱陽湖是中國第一大淡水湖，也是全國水質最好的湖泊之一，流域面積16.22萬平方公里。但近年來，鄱陽湖水質也呈下降趨勢。江西省水環(huán)境監(jiān)測部門監(jiān)測顯示，2002年鄱陽湖水質Ⅲ類水以上的比例占99.7%，而2006年下降到82.1%，呈逐年下降趨勢。
由于鄱陽湖水域寬闊，包括贛江（外洲站）、撫河（李家渡站）、信江（梅港站）、昌江（渡峰坑站）、樂安河（石鎮(zhèn)街站）、修河（永修站）、西河（石門街站）及博陽河（梓坊站）等區(qū)域，目前采用的水質檢測方法為派人到各區(qū)域取水樣，然后放在專門的實驗室檢測。這樣不能實現(xiàn)對湖水連續(xù)檢測，而且效率不高。本文提出了水質自動檢測的無線傳感網(wǎng)絡設計方案，可以實現(xiàn)對水質的自動檢測，而且檢測的數(shù)據(jù)可以通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到環(huán)保部門指定的接收點的計算機，利用該處計算機的軟件對檢測的數(shù)據(jù)實時顯示，并通過Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多級管理。
1 系統(tǒng)總體結構
水質無線傳感器網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)采用兩級體系 ,一級為環(huán)保部門指定的接收水質檢測數(shù)據(jù)的計算機（上位機）,二級為水域的水質監(jiān)測站。上位機負責監(jiān)視、管理和控制水質監(jiān)測站;水質監(jiān)測站負責水質數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)傳送工作。上位機和水質監(jiān)測站之間采用GPRS無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)通信。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡,上位機配置固定的 IP 地址，各水質數(shù)據(jù)采集點使用移動通信公司統(tǒng)一的 SIM 卡,同時在上位機中利用編寫的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存相關水質參數(shù)數(shù)據(jù)，對信息進行統(tǒng)計處理，產(chǎn)生各種報表輸出,支持24小時實時在線,實現(xiàn)信息采集點每隔20 min傳送采集的水質信息數(shù)據(jù),并可以將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)的地圖化、可視化。單點檢測點與上位機系統(tǒng)組成結構如圖1 所示。
2 硬件設計
2.1 CPU模塊設計
鄱陽湖的水質保護的重要性對水質檢測提出了速度快 、測量準確的高要求。CPU是整個水質檢測的“心臟”和 “大腦”。作為整個系統(tǒng)的中樞，接受所有來自水質傳感器的信號和數(shù)據(jù)，并對各個數(shù)據(jù)進行處理，最終發(fā)送給GPRS模塊。采用高性能的CPU芯片可以使水質檢測的工作效率大大提高。本設計采用了一款三星公司的ARM 內核芯片S3C44B0, 其工作效率是普通8位單片機的 4~5倍 ,非常適合于水質參數(shù)的處理。S3C44B0是基于ARM7TDMI-S內核的一款CPU，32位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使代碼能夠在最大時鐘速率下運行。從整體性能看，采用S3C44B0芯片設計的原因在于其速度快、調試方便、運行穩(wěn)定。S3C44B0與其他外部設備連接信號線如圖2所示。
2.2 水質傳感單元設計
水質的好壞由pH值、渾濁度等參數(shù)決定，其中pH值為十分重要的參數(shù)，pH計電路如圖3所示。
這個pH計電路的核心為接在超低電流放大器輸入端廉價的銀質或氯化銀質的探頭。從pH計探頭輸出的信號的典型阻抗為10～1 000 MΩ，因為阻抗高所以放大器的輸入電流特別小，這一點是非常重要的。V1為LMC6001放大器，輸入電流小于25 fA,這正是pH計所需要的理想元件。標準的銀質或氯化銀質的探頭在25 ℃室溫下理論輸出電壓是59.16 mV/pH,而在pH值為7時輸出電壓為0 V，超低輸入電流放大器LM6001放大探頭輸出的信號使之相對于pH值為7時能夠達到+/-100 mV/pH。pH計的整體增益可以通過可調電位器R2調節(jié)。V2為微功耗放大器LMC6041提供反向偏置，使得在探頭的整個測量范圍內輸出電壓與pH值保持線性關系。
2.3 GPRS單元設計
GPRS是無線傳感網(wǎng)絡中的“無線”傳輸部分，系統(tǒng)采用的GPRS模塊是WAVECOM公司的WISMOQ2403，該模塊功能完善、性能穩(wěn)定、體積小、非常適合用于嵌入式應用。
其電路設計如圖4所示，該模塊大部分引腳可以不必接，只需要注意SIM卡信號和串口信號，只要這兩部分電路接好，GPRS硬件模塊就可以正常工作了。
3 軟件設計
在線水質監(jiān)測系統(tǒng)軟件的兩大部分：下位機程序和上位機程序。設計流程分別如圖5(a)和圖5(b)所示。
4 系統(tǒng)實驗結果
圖6為下位機CPU最小系統(tǒng)測試時晶振振蕩圖，圖6(a)為主晶振振蕩圖，振蕩的頻率為10 MHz，圖6(b)為RTC振蕩圖，振蕩的頻率為32.76 kHz。主晶振開始振蕩，證明CPU的最小系統(tǒng)已經(jīng)開始工作，RTC主要是為定時模塊提供時鐘信號。
圖7為pH值顯示圖，可以實時顯示當前的pH的情況。環(huán)保監(jiān)控人員不僅可以實時看到數(shù)據(jù)，而且已經(jīng)可以把數(shù)據(jù)圖像化處理，顯得更加直觀。
參考文獻
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