无线传感器网络的水质监控节点设计温度感知节点(附件)
水质监测是水资源保护的必要环节，利用无线传感器网络技术来进行水环境监测,能够很好的克服传统水环境监测方法实时性差、耗费大、监测面积小等缺点。温度是水质检测中的一个重要参数，本文主要对无线传感器网络中的温度终端节点进行硬软件设计。以CC2530芯片作为核心控制器和无线收发模块，以DS18B20作为温度传感器，将采集到的温度在PC上显示；在ZigBee的Z-Stack协议栈基础上编写了组网程序实现了温度信号的无线收发；最后将所设计的温度终端节点与协调器节点进行了无线通信实验，终端节点采集到的温度参数通过无线方式发送给协调器几点，协调器节点与PC机连接，将接收到的温度参数在串口调试助手上显示，实验结果表明所设计的温度终端节点能够完成温度参数的采集及数据的无线发送的功能。
关键词 无线传感器网络，ZigBee，温度检测
目 录
1 绪论 1
1.1 研究目的 1
1.2 国内外水质监测的研究现状与发展趋势 1
1.3 选用技术 3
2 ZigBee技术简介 3
2.1 ZigBee技术概述 3
2.2 ZigBee无线传感器网络通信标准 4
2.3 Z-Stack协议研究 5
3 终端节点硬件设计 7
3.1 CC2530功能说明 8
3.2 无线通信模块 9
3.3 温度传感器模块设计 10
3.4 JTAG下载接口电路设计 11
3.5 串口通信模块设计 12
3.6 电源设计 12
4 软件设计 13
4.1 系统软件开发平台 13
4.2 ZigBee组网的工作流程 14< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 4.3 终端节点程序设计 16
4.4 协调器节点设计 22
5 调试结果 26
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
附录 1 温度感知节点原理图 34
1 绪论
1.1 研究目的
我国水资源总占有量比较丰富，约为全世界总量的6%，居全球第六位，但人均水资源拥有量却只有2240立方米。在有关部门调查全世界的153个国家中，排名靠后，属于“水资源紧缺”国家。当前，供水不足的问题一直存在于我国很多地方，水资源严重缺乏的情况也在一部分地区存在。另外，全国范围内的水资源分布也很不平衡。近些年来，我国很多地区连续遭遇各种洪涝、干旱、水土流失等自然灾害,同时也由于经济的高速发展，城市生活用水与工业用水的大量排放,造成水资源的严重污染，给人们的生活用水带来巨大问题[1]。
日益严重的水资源污染、水资源紧缺等问题，给我国的水质监测工作提出了新的要求和许多新的问题。其中，水质的实时监测及时反馈成为防止河流水污染检测的重要手段。
水资源的好坏与工业生产及人们生活用水密切相关。水质监控是保护水质的首要前提，同时也是管理水质的重要手段，只有从源头进行控制，才有利于水资源的合理使用。所以先进的水质监测系统吸引了外界更多的目光。
1.2 国内外水质监测的研究现状与发展趋势
1.2.1 国外水质监测系统的研究现状
在国内外，水质监测系统有不同程度的发展。起初，水质监测体系主要靠人工，这样的方法在科技高度发展的今天不再适用。发达国家结合有线、无线通信等技术，不断更新水质检测技术。目前，许多国家都设计建造了以监控水资源质量指标或者某些特殊检测对象为基础的水质自动监测系统。
水质自动监测系统即在一片水域内建立几个或多个监测站，这些站点能够自动检测水质质量，并通过有线或者无线的通信方式将水质情况进行采集并传送，最后由监管部门对检测结果进行分析处理，这样实现监测区域的水质连续监测。当前具有水质自动检测的系统拥有数据传输实时性以及稳定性，但由于大部分的数据传输方式都依靠有线传输这一方式，使得系统搭建比较复杂，在系统组建与维护过程中要消耗大量的人力、物力。从七十年代上世纪第二十年代开始，美国、英国、日本、德国、荷兰和其他国家已经建立了水污染自动监测系统。在系统的使用过程中，各国针对不同的气候条件、上下游水域区别以及河流污染的不同情况给出了不同的系统设计方案，这样能够使得系统更加适合当地的地理条件，也使得国家有关部门能够针对不同的情况给出不同的治理方案，利于水质的检测及防治。
WATERS项目是威尼斯为该国咸水湖水水域环境参数检测所建立的系统，该系统中配有15条浮船，浮船上配有特殊检测设备以及数据传输工具，能够实现每日获取水域水质数据，再将数据传输到信息处理中心，以实现实时监测和水污染警告[2]。
1.2.2 国内水质监测系统研究现状
我国现在的水质监测系统中主要使用的是人工监控方法，就是在需要检测的河流的设置主要监测点，固定时间进行取样，并将所采集的样品带回监测中心，有专业人员进行样品分析鉴定。由于人力资源的限制，监测工作只能够在采样方便的少数地点进行，这样的监测频率小，间隔时间长，且水污染不能及时发现，难以阻止企业将超标的工业废水排放到河流当中，不能满足当今对环境保护的要求。
在对所采集水域样品进行分析时，通过之前这种传统的方法所收集的水域数据来对整个区域的水质情况进行分析是不全面的，不能实时地反映水质的动态变化情况和偶然事件引发的水质急剧变化。河流沿岸工厂所排放的污水以及气象、季节变化所导致的水源污染也会对被检测区域内水质情况造成很大的影响，人工操作并不能够及时的、准确的反映出短期内水质的情况，因此需要通过一种简单、高效的手段对水质进行检测。
中国北京、上海、天津等城市也设立了水污染自动监控系统，但监控系统设备大部分需要进口，不仅成本高，而且容易出现故障，设备维修高等许多困难。
为了解决严重的水污染问题，我国自主开发了在线监测系统。该系统由上位机对收集到的数据进行汇总并提供给相关部门工作人员，以及一些监测节点作为下位机对水质状况进行采集。但由于该系统中所监测到的水质情况准确性并不高，同时当监测节点数量太多时，系统的成本也会大大增加。
基于无线传感器网络的水质监测系统拥有成本低、数据传输距离广、传输方便等众多优点，相比于传统的水域水质监测系统优势较明显，所以该项技术越来越得到人们的青睐。
我国在水质监测方面也逐步使用传感激采集、无线收发技术。例如江苏太湖水域所使用的水质监测系统，系统中通过采集卡收集太湖水质温度、PH等重要数据，然后通过网络将采集的数据实时地发送给控制中心，达到太湖水域内水质状况的实时更新[3]。
1.3 选用技术
目前,几种较成熟的无线通信技术一般都比较复杂,不仅占用大量的资源，系统的造价也较高，同时也不适合短距离无线通信的场合。而所使用的ZigBee技术是一种数据传输速度低、较简单、短距离通信的无线通信技术,它能满足低成本、规模小的监测系统的要求。
在短距离的通信技术中，优先传感网络技术已经很成熟，如工业以太网、现场总线等，但仍然无法解决的的问题是高成本，线路复杂。ZigBee除了具备上面提到的功耗低等优点外，还有一些其他的优点，如数据传输的多种组网方式、可靠性、网络的自组织性及安全性好等。
5GHz
50
——
2 ZigBee技术简介
2.1 ZigBee技术概述
ZigBee技术是近年来兴起的以电气和电子工程师协会规定的802.15.4为通信标准的一种无线通信技术。ZigBee的三个工作频频段分别为：868~868.6MHz、902~928MHz 和 2.402~2.480GHz。它的通信距离较近,传输速率较低。当前，ZigBee技术在水文监测、工业制造及矿井安全监测等领域得到了很多的使用[4]。
1 绪论 1
1.1 研究目的 1
1.2 国内外水质监测的研究现状与发展趋势 1
1.3 选用技术 3
2 ZigBee技术简介 3
2.1 ZigBee技术概述 3
2.2 ZigBee无线传感器网络通信标准 4
2.3 Z-Stack协议研究 5
3 终端节点硬件设计 7
3.1 CC2530功能说明 8
3.2 无线通信模块 9
3.3 温度传感器模块设计 10
3.4 JTAG下载接口电路设计 11
3.5 串口通信模块设计 12
3.6 电源设计 12
4 软件设计 13
4.1 系统软件开发平台 13
4.2 ZigBee组网的工作流程 14< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 4.3 终端节点程序设计 16
4.4 协调器节点设计 22
5 调试结果 26
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
附录 1 温度感知节点原理图 34
1 绪论
1.1 研究目的
我国水资源总占有量比较丰富，约为全世界总量的6%，居全球第六位，但人均水资源拥有量却只有2240立方米。在有关部门调查全世界的153个国家中，排名靠后，属于“水资源紧缺”国家。当前，供水不足的问题一直存在于我国很多地方，水资源严重缺乏的情况也在一部分地区存在。另外，全国范围内的水资源分布也很不平衡。近些年来，我国很多地区连续遭遇各种洪涝、干旱、水土流失等自然灾害,同时也由于经济的高速发展，城市生活用水与工业用水的大量排放,造成水资源的严重污染，给人们的生活用水带来巨大问题[1]。
日益严重的水资源污染、水资源紧缺等问题，给我国的水质监测工作提出了新的要求和许多新的问题。其中，水质的实时监测及时反馈成为防止河流水污染检测的重要手段。
水资源的好坏与工业生产及人们生活用水密切相关。水质监控是保护水质的首要前提，同时也是管理水质的重要手段，只有从源头进行控制，才有利于水资源的合理使用。所以先进的水质监测系统吸引了外界更多的目光。
1.2 国内外水质监测的研究现状与发展趋势
1.2.1 国外水质监测系统的研究现状
在国内外，水质监测系统有不同程度的发展。起初，水质监测体系主要靠人工，这样的方法在科技高度发展的今天不再适用。发达国家结合有线、无线通信等技术，不断更新水质检测技术。目前，许多国家都设计建造了以监控水资源质量指标或者某些特殊检测对象为基础的水质自动监测系统。
水质自动监测系统即在一片水域内建立几个或多个监测站，这些站点能够自动检测水质质量，并通过有线或者无线的通信方式将水质情况进行采集并传送，最后由监管部门对检测结果进行分析处理，这样实现监测区域的水质连续监测。当前具有水质自动检测的系统拥有数据传输实时性以及稳定性，但由于大部分的数据传输方式都依靠有线传输这一方式，使得系统搭建比较复杂，在系统组建与维护过程中要消耗大量的人力、物力。从七十年代上世纪第二十年代开始，美国、英国、日本、德国、荷兰和其他国家已经建立了水污染自动监测系统。在系统的使用过程中，各国针对不同的气候条件、上下游水域区别以及河流污染的不同情况给出了不同的系统设计方案，这样能够使得系统更加适合当地的地理条件，也使得国家有关部门能够针对不同的情况给出不同的治理方案，利于水质的检测及防治。
WATERS项目是威尼斯为该国咸水湖水水域环境参数检测所建立的系统，该系统中配有15条浮船，浮船上配有特殊检测设备以及数据传输工具，能够实现每日获取水域水质数据，再将数据传输到信息处理中心，以实现实时监测和水污染警告[2]。
1.2.2 国内水质监测系统研究现状
我国现在的水质监测系统中主要使用的是人工监控方法，就是在需要检测的河流的设置主要监测点，固定时间进行取样，并将所采集的样品带回监测中心，有专业人员进行样品分析鉴定。由于人力资源的限制，监测工作只能够在采样方便的少数地点进行，这样的监测频率小，间隔时间长，且水污染不能及时发现，难以阻止企业将超标的工业废水排放到河流当中，不能满足当今对环境保护的要求。
在对所采集水域样品进行分析时，通过之前这种传统的方法所收集的水域数据来对整个区域的水质情况进行分析是不全面的，不能实时地反映水质的动态变化情况和偶然事件引发的水质急剧变化。河流沿岸工厂所排放的污水以及气象、季节变化所导致的水源污染也会对被检测区域内水质情况造成很大的影响，人工操作并不能够及时的、准确的反映出短期内水质的情况，因此需要通过一种简单、高效的手段对水质进行检测。
中国北京、上海、天津等城市也设立了水污染自动监控系统，但监控系统设备大部分需要进口，不仅成本高，而且容易出现故障，设备维修高等许多困难。
为了解决严重的水污染问题，我国自主开发了在线监测系统。该系统由上位机对收集到的数据进行汇总并提供给相关部门工作人员，以及一些监测节点作为下位机对水质状况进行采集。但由于该系统中所监测到的水质情况准确性并不高，同时当监测节点数量太多时，系统的成本也会大大增加。
基于无线传感器网络的水质监测系统拥有成本低、数据传输距离广、传输方便等众多优点，相比于传统的水域水质监测系统优势较明显，所以该项技术越来越得到人们的青睐。
我国在水质监测方面也逐步使用传感激采集、无线收发技术。例如江苏太湖水域所使用的水质监测系统，系统中通过采集卡收集太湖水质温度、PH等重要数据，然后通过网络将采集的数据实时地发送给控制中心，达到太湖水域内水质状况的实时更新[3]。
1.3 选用技术
目前,几种较成熟的无线通信技术一般都比较复杂,不仅占用大量的资源，系统的造价也较高，同时也不适合短距离无线通信的场合。而所使用的ZigBee技术是一种数据传输速度低、较简单、短距离通信的无线通信技术,它能满足低成本、规模小的监测系统的要求。
在短距离的通信技术中，优先传感网络技术已经很成熟，如工业以太网、现场总线等，但仍然无法解决的的问题是高成本，线路复杂。ZigBee除了具备上面提到的功耗低等优点外，还有一些其他的优点，如数据传输的多种组网方式、可靠性、网络的自组织性及安全性好等。
5GHz
50
——
2 ZigBee技术简介
2.1 ZigBee技术概述
ZigBee技术是近年来兴起的以电气和电子工程师协会规定的802.15.4为通信标准的一种无线通信技术。ZigBee的三个工作频频段分别为：868~868.6MHz、902~928MHz 和 2.402~2.480GHz。它的通信距离较近,传输速率较低。当前，ZigBee技术在水文监测、工业制造及矿井安全监测等领域得到了很多的使用[4]。
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