江西鄱陽(yáng)湖水質(zhì)檢測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略

????? 江西境內(nèi)的鄱陽(yáng)湖是中國(guó)第一大淡水湖，也是全國(guó)水質(zhì)最好的湖泊之一，流域面積16.22萬(wàn)平方公里。但近年來(lái)，鄱陽(yáng)湖水質(zhì)也呈下降趨勢(shì)。江西省水環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)監(jiān)測(cè)顯示，2002年鄱陽(yáng)湖水質(zhì)Ⅲ類(lèi)水以上的比例占99.7%，而2006年下降到82.1%，呈逐年下降趨勢(shì)。
　　由于鄱陽(yáng)湖水域?qū)掗?，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(lè)安河（石鎮(zhèn)街站）、修河（永修站）、西河（石門(mén)街站）及博陽(yáng)河（梓坊站）等區(qū)域，目前采用的水質(zhì)檢測(cè)方法為派人到各區(qū)域取水樣，然后放在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。這樣不能實(shí)現(xiàn)對(duì)湖水連續(xù)檢測(cè)，而且效率不高。本文提出了水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的自動(dòng)檢測(cè)，而且檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到環(huán)保部門(mén)指定的接收點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，利用該處計(jì)算機(jī)的軟件對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多級(jí)管理。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　水質(zhì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)采用兩級(jí)體系 ,一級(jí)為環(huán)保部門(mén)指定的接收水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）,二級(jí)為水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)站。上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)視、管理和控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)站;水質(zhì)監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)傳送工作。上位機(jī)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站之間采用GPRS無(wú)線傳輸方式進(jìn)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(luò),上位機(jī)配置固定的 IP 地址，各水質(zhì)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)使用移動(dòng)通信公司統(tǒng)一的 SIM 卡,同時(shí)在上位機(jī)中利用編寫(xiě)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)保存相關(guān)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，產(chǎn)生各種報(bào)表輸出,支持24小時(shí)實(shí)時(shí)在線,實(shí)現(xiàn)信息采集點(diǎn)每隔20 min傳送采集的水質(zhì)信息數(shù)據(jù),并可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的地圖化、可視化。單點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)與上位機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 CPU模塊設(shè)計(jì)
　　鄱陽(yáng)湖的水質(zhì)保護(hù)的重要性對(duì)水質(zhì)檢測(cè)提出了速度快 、測(cè)量準(zhǔn)確的高要求。CPU是整個(gè)水質(zhì)檢測(cè)的“心臟”和 “大腦”。作為整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接受所有來(lái)自水質(zhì)傳感器的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)檢測(cè)的工作效率大大提高。本設(shè)計(jì)采用了一款三星公司的ARM 內(nèi)核芯片S3C44B0, 其工作效率是普通8位單片機(jī)的 4~5倍 ,非常適合于水質(zhì)參數(shù)的處理。S3C44B0是基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的一款CPU，32位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。從整體性能看，采用S3C44B0芯片設(shè)計(jì)的原因在于其速度快、調(diào)試方便、運(yùn)行穩(wěn)定。S3C44B0與其他外部設(shè)備連接信號(hào)線如圖2所示。

2.2 水質(zhì)傳感單元設(shè)計(jì)
　　水質(zhì)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(jì)電路如圖3所示。

? 這個(gè)pH計(jì)電路的核心為接在超低電流放大器輸入端廉價(jià)的銀質(zhì)或氯化銀質(zhì)的探頭。從pH計(jì)探頭輸出的信號(hào)的典型阻抗為10～1 000 MΩ，因?yàn)樽杩垢咚苑糯笃鞯妮斎腚娏魈貏e小，這一點(diǎn)是非常重要的。V1為L(zhǎng)MC6001放大器，輸入電流小于25 fA,這正是pH計(jì)所需要的理想元件。標(biāo)準(zhǔn)的銀質(zhì)或氯化銀質(zhì)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(shí)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(hào)使之相對(duì)于pH值為7時(shí)能夠達(dá)到+/-100 mV/pH。pH計(jì)的整體增益可以通過(guò)可調(diào)電位器R2調(diào)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(gè)測(cè)量范圍內(nèi)輸出電壓與pH值保持線性關(guān)系。
2.3 GPRS單元設(shè)計(jì)
　　GPRS是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的“無(wú)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(yīng)用。
　　其電路設(shè)計(jì)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(hào)和串口信號(hào)，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(shè)計(jì)
　　在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的兩大部分：下位機(jī)程序和上位機(jī)程序。設(shè)計(jì)流程分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖6為下位機(jī)CPU最小系統(tǒng)測(cè)試時(shí)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(kāi)始振蕩，證明CPU的最小系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始工作，RTC主要是為定時(shí)模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。

　　圖7為pH值顯示圖，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的pH的情況。環(huán)保監(jiān)控人員不僅可以實(shí)時(shí)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。