无线传感器网络的水质监控节点设计？ph值感知节点(附件)
针对我国现在水质监测的需求，分析当前的水环境监测系统，在几种现今较为流行的近距离无线通信技术的基础上，选择 ZigBee 组建无线传感器网络，设计了无线传感器网络的水质环境监测PH值感知节点，主要包括 PH值水质参数采集模块、微处理器模块、无线收发模块和电源模块；软件上编写了组网、数据采集、AD转换及数据无线传输程序，完成了PH值感知节点的设计。该系统解决了有线通信方式存在的部署困难，难以扩展、升级等诸多问题，具有低功耗、低成本、部署灵活、维护方便等优点，能够针对不同的湖泊、河流等水环境参数的PH值进行实时监测。
关键词 无线传感器网络,水质监测,PH值,CC2530
目 录
1 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 研究内容 2
1.4 水质监测的方法 2
2 关键技术 3
2.1 无线传感网络的概念和特点 3
2.2 ZIGBEE技术 4
3 PH值感知节点硬件设计 8
3.1 CC2530简介 9
3.2 PH值参数采集电路 9
3.3 JTAG下载接口设计 11
3.4 串口通信模块设计 12
3.5 电源模块 12
3.6 无线通信模块 13
4 软件设计 14
4.1 软件开发平台 14
4.2 系统软件总体层次结构 14
4.3 组网流程 17
4.4 MAIN函数 18
4.5 应用任务初始化函数 19
4.6 A/D转换器程序 21
4.7 感知节点 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
发送程序 25
4.8 协调器节点接收数据程序 26
5 调试结果 28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A CC2530及其外围电路 33
附录B PH值传感器信号调理电路 34
1 绪论
1.1 研究目的和意义
随着工、农业和经济建设的不断发展，我国经常发生重大的环境污染公共卫生事件。通过很多的调查研究显示，水污染在环境污染事件中所占比重高达70％。湖泊、河流的水质状况与我国的工农业密切相关。ZigBee 无线网络技术的水质监测与传统监测方法相比，有好多优点,比如不用布线、维护比较方便、扩展性好等。并且因为 ZigBee 无线网络能够和具体的应用环境区分开，因此很容易地扩展到其他应用领域。
PH值是判断水质好坏的一个十分重要的参数指标。《渔业水质标准》中规定淡水中PH值应该为6.5到8.5，海水中为7.0到8.5。而大部分的鱼类适合养殖在中性或微碱性的水里，PH值如果增高，氨的比例就会增加，导致毒性增强；而pH值降低，会促使跟多的硫化物变成硫化氢，细菌、浮游生物以及大多数藻类都会受到很大影响，硝化过程被抑制，光合作用减弱，水体物质的循环强度变低。PH值太高或太低都会使鱼类新陈代谢低落，血液对氧的亲和力下降(酸性)，摄食量少，降低消化率，抑制鱼类生长。本文采用ZigBee 技术，由无线传感器节点采集、处理水体pH值的重要水质信息，将结果传送给汇聚节点，由监测中心显示相关结果。该系统可以实现对水环境的远程监测，与有线监测系统相比节约了监测系统成本，具有较高的通用性和实用性。
1.2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外在水质环境监测方面的研究起步比国内早,应用从环保领域延展到养殖业。已经初步能够智能化管理数据。目前，澳人利亚的GREENSPAN、德国的GIMAT、美国的ISOC和HYDROLAB 等公司[10] 在该领域的研究比较领先。国外最知名两大系统是澳大利亚的Fleck和美国的EMNET系统。挪威、德国、美国、法国、丹麦等国也能利用物理、化学和生物的手段对水质进行自动调控，取得了比较好的效果。在上世纪80年代初，欧洲、美国和日本开始使用连续的多参数水质分析仪，实现了对水质环境的自动监测。国外主要是利用现场总线的方式对PH值进行自动监控[6]。
1.2.2 国内研究现状
我国近年来科学技术的不断发展，在水质监测行业取得了比较大的进步, 一批能够与国际接轨的技术性企业相继发展起来。比较有代表性的设备生产商有上海雷磁有限公司、上海天时水分析设备有限公司、上海三信仪表厂、核工业部北京冶金研究所、等[5]。
我国的水质监控主要采用Zigbee实现分布式的本地或远程水质实时监测。我国典型水质在线监测系统对比如表1.2所示。
表1.2 国内典型水质在线监测系统比较
公司名称
上海左岸芯慧电子科技有限公司
中科抬海
四川鹏锦科技有限责任公司
北京联创思源测控技术有限公司
产品应用
用于水产养殖、水文监测
用于水文监测
用于饮用水水质监测、水产养殖
用于水产养殖、水文监测
产品特点
企业侧重于传感器的二次开发和应用,软件系统集成度高、功能强
企业侧重于系统集成和工程应用, 监测参数以雨量、水位为主,软件具有较强的GIS能力
侧重提供低成本、高可靠性的感知层动态网络组建解决方案,满足饮用水水源地高密度水质监测和分散型管网监测需要
企业具有较强的传感器研发能力,系统能提供多样性水质参数监测,软件集成度
1.3 研究内容
（1）我们查阅了解到我国目前水质研究的现状，结合无线传感网络技术以及计算机技术，设计了一种基于无线传感器网络的水质监测的PH值感知节点。
（2）通过对目前技术及水质状况的了解，对几种近距离无线通信技术进行研究，着重对 ZigBee技术，ZigBee协议栈，和ZigBee组网进行研究，建立一个采用ZigBee 无线通信技术组建的水质监测系统。
（3）针对水质监测的环境特殊性选择适合测量监测的传感器，并根据PH值传感器的输入输出特性设计了符合CC2530要求的信号调理电路，从而达到水质监测的精确度要求；编写了感知节点的数据采集处理及无线发送程序。
（4）对所设计的PH值感知节点进行了数据采集及处理实验，并利用一个协调器节点构成简单的网络，进行组网通信测试，并协调器节点接受的数据显示在PC机的串口通信界面。
1.4 水质监测的方法
无线传感网络是以获知、传输信息为主要目的的网络平台，其主要核心是对数据的采集、处理及分析、查询等。所以说网络是以数据为中心的网络。
2.2 ZigBee技术
2.2.1 ZigBee简介
规范
ZigBee
Wi-Fi
Bluetooth
红外
RFID
else
zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_ROUTER;
#endif //建立所有设备
1 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 研究内容 2
1.4 水质监测的方法 2
2 关键技术 3
2.1 无线传感网络的概念和特点 3
2.2 ZIGBEE技术 4
3 PH值感知节点硬件设计 8
3.1 CC2530简介 9
3.2 PH值参数采集电路 9
3.3 JTAG下载接口设计 11
3.4 串口通信模块设计 12
3.5 电源模块 12
3.6 无线通信模块 13
4 软件设计 14
4.1 软件开发平台 14
4.2 系统软件总体层次结构 14
4.3 组网流程 17
4.4 MAIN函数 18
4.5 应用任务初始化函数 19
4.6 A/D转换器程序 21
4.7 感知节点 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
发送程序 25
4.8 协调器节点接收数据程序 26
5 调试结果 28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A CC2530及其外围电路 33
附录B PH值传感器信号调理电路 34
1 绪论
1.1 研究目的和意义
随着工、农业和经济建设的不断发展，我国经常发生重大的环境污染公共卫生事件。通过很多的调查研究显示，水污染在环境污染事件中所占比重高达70％。湖泊、河流的水质状况与我国的工农业密切相关。ZigBee 无线网络技术的水质监测与传统监测方法相比，有好多优点,比如不用布线、维护比较方便、扩展性好等。并且因为 ZigBee 无线网络能够和具体的应用环境区分开，因此很容易地扩展到其他应用领域。
PH值是判断水质好坏的一个十分重要的参数指标。《渔业水质标准》中规定淡水中PH值应该为6.5到8.5，海水中为7.0到8.5。而大部分的鱼类适合养殖在中性或微碱性的水里，PH值如果增高，氨的比例就会增加，导致毒性增强；而pH值降低，会促使跟多的硫化物变成硫化氢，细菌、浮游生物以及大多数藻类都会受到很大影响，硝化过程被抑制，光合作用减弱，水体物质的循环强度变低。PH值太高或太低都会使鱼类新陈代谢低落，血液对氧的亲和力下降(酸性)，摄食量少，降低消化率，抑制鱼类生长。本文采用ZigBee 技术，由无线传感器节点采集、处理水体pH值的重要水质信息，将结果传送给汇聚节点，由监测中心显示相关结果。该系统可以实现对水环境的远程监测，与有线监测系统相比节约了监测系统成本，具有较高的通用性和实用性。
1.2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外在水质环境监测方面的研究起步比国内早,应用从环保领域延展到养殖业。已经初步能够智能化管理数据。目前，澳人利亚的GREENSPAN、德国的GIMAT、美国的ISOC和HYDROLAB 等公司[10] 在该领域的研究比较领先。国外最知名两大系统是澳大利亚的Fleck和美国的EMNET系统。挪威、德国、美国、法国、丹麦等国也能利用物理、化学和生物的手段对水质进行自动调控，取得了比较好的效果。在上世纪80年代初，欧洲、美国和日本开始使用连续的多参数水质分析仪，实现了对水质环境的自动监测。国外主要是利用现场总线的方式对PH值进行自动监控[6]。
1.2.2 国内研究现状
我国近年来科学技术的不断发展，在水质监测行业取得了比较大的进步, 一批能够与国际接轨的技术性企业相继发展起来。比较有代表性的设备生产商有上海雷磁有限公司、上海天时水分析设备有限公司、上海三信仪表厂、核工业部北京冶金研究所、等[5]。
我国的水质监控主要采用Zigbee实现分布式的本地或远程水质实时监测。我国典型水质在线监测系统对比如表1.2所示。
表1.2 国内典型水质在线监测系统比较
公司名称
上海左岸芯慧电子科技有限公司
中科抬海
四川鹏锦科技有限责任公司
北京联创思源测控技术有限公司
产品应用
用于水产养殖、水文监测
用于水文监测
用于饮用水水质监测、水产养殖
用于水产养殖、水文监测
产品特点
企业侧重于传感器的二次开发和应用,软件系统集成度高、功能强
企业侧重于系统集成和工程应用, 监测参数以雨量、水位为主,软件具有较强的GIS能力
侧重提供低成本、高可靠性的感知层动态网络组建解决方案,满足饮用水水源地高密度水质监测和分散型管网监测需要
企业具有较强的传感器研发能力,系统能提供多样性水质参数监测,软件集成度
1.3 研究内容
（1）我们查阅了解到我国目前水质研究的现状，结合无线传感网络技术以及计算机技术，设计了一种基于无线传感器网络的水质监测的PH值感知节点。
（2）通过对目前技术及水质状况的了解，对几种近距离无线通信技术进行研究，着重对 ZigBee技术，ZigBee协议栈，和ZigBee组网进行研究，建立一个采用ZigBee 无线通信技术组建的水质监测系统。
（3）针对水质监测的环境特殊性选择适合测量监测的传感器，并根据PH值传感器的输入输出特性设计了符合CC2530要求的信号调理电路，从而达到水质监测的精确度要求；编写了感知节点的数据采集处理及无线发送程序。
（4）对所设计的PH值感知节点进行了数据采集及处理实验，并利用一个协调器节点构成简单的网络，进行组网通信测试，并协调器节点接受的数据显示在PC机的串口通信界面。
1.4 水质监测的方法
无线传感网络是以获知、传输信息为主要目的的网络平台，其主要核心是对数据的采集、处理及分析、查询等。所以说网络是以数据为中心的网络。
2.2 ZigBee技术
2.2.1 ZigBee简介
规范
ZigBee
Wi-Fi
Bluetooth
红外
RFID
else
zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_ROUTER;
#endif //建立所有设备
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