2 2 2 2 2 2 2 第 32 卷 　第 5 期 2009 年 10 月 　　　 电 子 器 件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices 　　Vol . 32 　No. 5 Oct . 2009 An Online Monitoring System of Water Quality Based on ZigBee C H E N G Chunron g , M A O X i an g gen , W U L i z hen S chool of Elect ronics I nf ormation , H an gz hou Di anz i Uni versit y , H an gz hou 310018 , Chi na Abstract :In order to achieve real time monitoring of water qualit y ,an online monitoring system for water qualit y parameters based on ZigBee is p resented. The hardware and software of system is analyzed and de signed in detail. The wireless node used TI power amplifier CC2591 solution. The reduced ZigBee p rotocol stack is modified and planted ,and applications and related drivers are p ro grammed. Experimental result s show t hat t he system can meet t he real time requirement s of water qualit y mo nitoring system as well as it s scalabilit y and low Key words :ZigBee ;water monitoring ;CC2430 ;CC2591 EEACC :7210B chip CC2430 and low power nodes. s single 基于 ZigBee 技术的水质监测系统 程春荣 ,毛祥根 ,武利珍 杭州电子科技大学新型电子器件研究所 ,杭州 310018 摘 　要 :为了实现水质的实时监测 ,提出了一种基于 ZigBee 技术的多参数水质监测系统 ,并对系统的硬件和软件进行了详细 的分析和设计 。无线传输节点采用了 TI 公司的单芯片 CC2430 + 低功耗功放 CC2591 解决方案 ,并修改和移植了 ZigBee 精简 协议栈代码 ,再编写水质监测系统的应用程序和相关驱动程序 。试验结果表明 ,该系统可扩展性强 ,节点功耗低 ,实时性能够 满足水质监测系统的需求 。 关键词 : ZigBee ;水质监测 ;CC2430 ;CC2591 中图分类号 :TN919 文献标识码 :A 　　文章编号 :1005 9490( 2009) 05 72 　　 0942 04 　　水是生命不可缺少的要素之一 。因此 ,对水质 的检测显得尤为重要 。但是传统的经验检测法已经 不能满足需要 ,甚至会带来巨大损失 ;化学检测法过 程复杂 、不具有实时性 ,还会带来二次污染 。现代仪 器检测法通过相关传感器 ,将被测对象的化学量或 物理量转化为电信号 ,经高增益放大器放大 、数字化 处理后 ,输入到 MCU 后准确得到测量参数 。 对于湖泊和河流水质的测量 ,由于浮标常年位 于水中 ,为它架设专门的通信线路显得不合适[ 1 ] ;另 外由于测试点多而杂使得测试系统线路非常复杂 , 因此本文根据无线传感器网络的基本理论和水质监 测的实际需求 ,提出了基于 ZigBee 技术的在线水质 监测方法 ,设计了一个能够在线测量温度 、P H 、电导 率等参数的水质监测系统 ,此系统在现场采集相关 数据 ,利用下位机和上位机 ( PC 机) 之间的通信 ,把 经过处理的测量结果存储在上位机内 ,并动态地显 示出来 。 07 11 　　修改日期 :2009 收稿日期 :2009 29 项目来源 :浙江省自然科学基金资助 ( Y1080589) 作者简介 :程春荣 (1982 07 ) ,男 ,汉族 ,江西高安 ;杭州电子科技大学硕士研究生 ,电路与系统专业 ,主要研究方向为新型电子器 件设计与应用 chunrong @stu. hdu. edu. cn ; 毛祥根 (1957 研究 ; 武利珍 (1983 ) ,男 ,副教授 ,杭州电子科技大学图书馆副馆长 ,主要从事音 、视频信号处理和数字信号多进制处理的 ) ,男 ,硕士研究生 ,电路与系统专业 ,主要研究方向为新型电子器件设计与应用 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 程春荣 ,毛祥根等 :基于 ZigBee 技术的水质监测系统 349 模块和传感器模块组成 ,下位机的绝大多数 ZigBee 模块也是 FFD ,而 RFD ( Reduced Function Device) 设备总是作为簇状网络的叶设备连接到网络中 。任 意一个 FFD 都可初始化为普通终端设备或者网络 协调器 、路由器 ,为其他设备提供同步信息 ,但一个 网络只能有一个网络协调器 。当网络协调器组建网 络成功后 ,路由器和普通 RFD 设备可以直接与网络 协调器取得关联 ,加入网络 ,也可以通过上级路由器 与网络协调器取得关联 ,加入网络 。 第 5 期 1 　设计方案 随着通信技术 、计算机网络技术和传感器技术 的飞速发展和日益成熟 , 无线传感器 网络 ( WSN Wireless Sensor Network) 已成为当今国内外研究 的一大热点 。基于 IEEE 802 4 的 ZigBee 技术 组成的网络具备可靠 、成本低 、容量大 、安全 、自愈性 强等诸多优势 ,非常适合传感器网络的要求 ,成为未 来无线技术的主要发展方向 。 1 1 　主要芯片介绍 15 CC2430 是 TI Chipcon 公司 Smart RF03 家族中 的一个关键部分 ,它结合一个高性能 2 4 GHz DSSS (直接序列扩频) 射频收发器核心和一颗工业级小巧 高效的 8051 控制器 ,其结构框图[ 2 ] 如图 1 所示。 图 1 　CC2430 结构框图 CC2591 是一款高性能的低成本前端 ,它集成 了可将输出功率提高 + 22 dBm 的功率放大器以及 可将接收机灵敏度提高 + 6 dB 的低噪声放大器 ,它 能显著增加无线系统的覆盖范围 ,适用于诸如 Zig Bee 网络 、传感器 、工业 、消费类电子以及音频设备 等所有 2 1 4 GHz 无线系统 。 2 　系统架构设计 该水质监测系统是由一个上位机和若干个下位 机组成的簇状网络[ 3 ] ,其框架如图 2 所示 。上位机 通过串口与一个 ZigBee 模块连接 ,该模块属于全功 能设备 ( FFD ,Full Function Device) ,负责建立和管 理网络 ,称为 ZigBee 网络协调器 ;下位机由 ZigBee 图 2 　ZigBee 水质监测系统框图 2 　硬件电路设计 为了方便系统调试 ,本文将 RF 模块和传感器 采集模块分开设计 ,RF 模块设计成一个只负责 RF 收发的模块 ,并将 CC2430 多余的 IO 口引出 ,用于 传感器节点的扩展应用 。 2 1 　ZigBee 模块 本文的 ZigBee 模块采用 CC2430 和 CC2591 功 5 ] ,由于 CC2591 内部集成了 RF 匹配网 放的结合[ 4 络 ,所以在 RF 输入/ 输出部分不需要增加额外的匹 配网络 ,其硬件设计原理如图 3 所示 ,为了图形的直 图 3 　ZigBee 模块原理图 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 2 1 1 1 电 　子 　器 　件 1 449 第 32 卷 观性 ,电源及滤波电容 、数字 I/ O 口 、ADC 接口并未 在图中标出 。 图 3 中 R1 和 R2 是偏置电阻 。R1 为 32 M Hz 晶振设置精确的偏置电流 , R2 用于 RF 部分的电流 参考发生器 。 CC2430 芯片的主时钟是由外部晶振 XTAL1 和两个负载电容 C14 、C15 提供的 。定时器/ 计数器 1 、2 、3 、4 都工作于该时钟 。此时钟还提供给 8051 所有的外设 。时钟的控制通过使用 SFR 寄存 器 CL KCON 来实现 。而 XTAL2 和电容 C1 、C2 用来 产生 32 768 k Hz 的时钟 ,该时钟主要为 CC2430 和 CC2591 在休眠的时候提供时序 。此外 ,该时钟还 可以通过 CC2430 内部的 32 k Hz 的 R C 振荡器来 产生 。 CC2591 的 H GM 、EN 、PA _ EN 引脚都连接到 CC2430 闲置的 I/ O 口 ,由单片机来控制 。当 H GM 为高电平 ,表示 CC2591 接收数据时 ,L NA 是高增 益模式 ;当 H GM 为低电平 ,表示 CC2591 接收数据 时 ,L NA 是低增益模式 。而 EN 引脚和 PA_ EN 引 脚在 CC2591 正常工作时候置为高电平 ,当其进入 低功耗模式时候 ,将其置为低电平 ,这样可以降低 功耗 。 ZigBee 模块的性能 ,是整个水质监测系统的关 键 。由于各节点的 ZigBee 模块工作在 2 4 GHz 的 射频微波段 ,工作频率很高 ,所以对其 PCB 设计有 较高的要求 。因为射频信号容易受噪声和其它强信 号干扰 , PCB 的设计如果考虑不周 ,将很可能导致 射频模块不能正常工作 。所以 ,在射频模块的 PCB 设计要严格按照射频电路的原则进行 。 2 2 　传感器节点模块 传感器节点模块主要是通过各种水质传感器对 各种水质参数进行采样 ,然后经过信号调理电路是 对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理 , 更加适合 A/ D 转换 ,便于单片机运算处理 。 温度传感器采用 DALL AS 公司的 DS18B20 , 该器件使用方便 , 只需一个 IO 口就 可以 完成 对 DS18B20 的读写 。 201 P H 电极会根据被测溶液的酸度不同 ,产生不 同的直流电位 ,这样就可以将酸碱度转变成电信号 进行采集[ 6 ] 。本文采用的 E C 型塑料壳可充式 复合 P H 电极 ,原始信号为 - 414 12 mV 的直流电压信号 ,被测液体的 P H 值与产生的电势 成反比 : - 59 16 mV = 1 P H ,其调理电路如图 4 所 示 , 运 放 采 用 高 输 入 阻 抗 、低 功 耗 运 算 放 大 器 L MC6041 。 12～414 图 4 　P H 测量调理电路 由于 CC2430 自 带 的 ADC 输 入 电 压 为 0 ～ 3 V ,通过调节可变电阻 V R 1 使得 V O1 限制在 - 1 5 ～1 75 V ,这样就可以使 得输出 V OU T 满足要求 。V OU T 与传感器原始输入信 号 V IN之间的关系可通过公式 (1) 和公式 (2) 算出 。 5 V ,调节 V R 2 使 V I2 = 0 V O1 = V IN (1 + R2 + V R 1 R1 ) V OU T = V I2 - V O1 - V I2 R4 ×R5 (1) (2) 1 型铂黑电导电极 ,其电导池常 　　本文采用 DJ S 数为 1 023 ,最佳工作频率在 20 k Hz 左右 。为了减 小电极的极化效应 ,加到电极两端的电压应为交流 激励信号 ,产生该信号的电路如图 5 所示 。 图 5 　双极性脉冲的产生电路 将电导电极浸入待测水样内 , 取 V PUL SE 加到两 个电极上 ,只要测得两电极之间的电压和回路中的 电流 ,用电流值除以电压值就可得到测定水样的电 导率 。图 5 所示的双极性脉冲产生电路 , 其频率可 用公式 (3) 计算 。 f PULSE = 1 2 R1 C ·ln (1 + 2 R2 R3 ) (3) 　　由于输入和输出信号都为交流信号 ,在实际应 用中通过精密全波整流电路使其转化为脉动的直 流 ,便于单片机 ADC 进行采样 。 2 3 　外围电路设计 考虑到现场检测站点处在近海 、湖泊等野外水 体中 ,架设有线电源不太方便并且成本较高 ,因此采 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 1 第 5 期 程春荣 ,毛祥根等 :基于 ZigBee 技术的水质监测系统 549 用太阳能供电系统是较合理的选择 。在天气晴朗的 白天 ,太阳能电板给系统供电 ,同时给蓄电池充电以 备阴天和夜间使用[ 7 ] 。 CC2430 芯片内置电源管理模块 ,因此 ZigBee 模块的电源设计相对简单 。该模块需要 3 3 V 电 源供电 ,本文通过低压差线性稳压器 (LDO : Low Dropout Regulator) 将外部输入的 5 V 电源转换为 3 V 给 ZigBee 模块供电 ,LDO 选用 TI 工作电压 3 公司的 R E G1117 3 稳压器 ,该芯片电路简单 ,质 3 量可靠 ,价格低廉 。 3 　软件设计 3 1 　系统总体软件结构 本系统软件主要包括 ZigBee 节点程序 ,传感器 节点程序和上位机程序三部分[ 8 ] 。其中上位机程序 可以实现数据在计算机上的实时显示和存储 。Zig Bee 节点和传感器节点程序是前端 ZigBee 网络的 开发程序 ,这两部分程序相互配合 ,共同完成了数据 的采集 、传输和对网络的管理 ,是系统软件的重点 。 传感器节点程序主要实现数据的采集和发送 。根据 安放的位置 ,它还可以成为一个路由节点 ,实现消息 的中继转发 。与上位机通信的 ZigBee 模块是无线 传感器网络的协调器 ,是网络的控制中心 ,它的程序 一方面负责网络的配置和管理 ,包括定义通信信道 、 网络标识符 ( PAN ID) ,配置网络的 Profile ,响应节 点加入网络的请求和绑定请求 ,为其他节点分配 网络地址 、维护路由表等 ;另一方面还接收各传感 器节点发来的数据 ,将其进行汇合整理后传给计 算机 。 3 2 　ZigBee 节点程序 TI 公司推出的 Z stack 是完全开源的 C 语言协 图 6 　传感器节点程序流程图 3 4 　上位机程序 本文在 Micro soft Visual C + + 6 0 环境下采 用 Visual C + + 语言实现了 PC 与硬件系统之间的 串口通信 ,实现了可视化的人机界面 ,极大地方便了 系统的调试与网络监测 。图 7 所示的是一种 PH 值 为 6 864 的标准混合磷酸盐溶液的监测值 ,从图中可 以看出 ,系统每 5min 对传感器模块进行一次采样 ,实 现了水质监测的实时性 ,且测量结果误差较小。 议栈 ,具有很好的可移植性和很好的程序可读性 。 Stack 采用操作系统的思想来构建 ,采用事件轮 Z 循机制 ,当各层初始化之后 ,系统进入低功耗模式 ; 当事件发生时 ,唤醒系统并进入中断处理事件 ,结束 后继续进入低功耗模式 。如果同时有几个事件发 生 ,判断其优先级 ,逐次处理事件 。这种软件构架可 以极大地降低系统的功耗 。这部分的软件主要包括 设备初始化 、协调器组网 、节点加入网络 、无线数据 收发和处理等程序 。 3 　传感器节点程序 3 传感器节点负责监测现场水质 ,并进行数据处 理和通信 。其软件部分主要包括监测模块数据采集 程序和网络通信程序 。一个传感器节点的程序流程 图如图 6 所示 。 图 7 　水质监测系统上位机界面 4 　实验结果分析 经测量 ,本系统的 ZigBee 节点接收数据时的电 流为 41 mA ,发送数据时的电流为 62 mA 休眠时的 3 μA ,每 5 分钟内收发数据累积时间 电流为仅为 1 34 s 。以功耗消耗较大的路由器节点为例 , 约为 7 使用 1800 mAh 的电池可供该节点工作 4 个月以 上 ,而对于那些非路由器节点其工作时间可以更长 。 经过实验可知 ,本设计中的两个 ZigBee 模块 (带 SMA 射频天线) 点对点直接通信在可视距离为 (下转第 949 页) 　　　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

1 1 949 2 2 第 5 期 武利珍 ,张文超等 :基于 S TM32 的便携式心电图仪设计 腿 ,令一端接入采集电路的三个输入端 ,在采样频率 200 Hz 时的波形如图 9 所示 。 的功能模块 ,拥有标准和先进的通信接口 ,无需外扩 芯片即可完成心电信号的采集 、存储和数据通信 。 使得整个心电图仪具有体积小 、功耗低的特点 。满 足了便携式设备的基本要求 。实验表明该系统达到 了预期效果 。随着心血管疾病的发病率不断地逐年 上升 ,这种便携式心电图仪具有很高的应用价值和 良好的市场前景 。 图 9 　采样频率 200 Hz 时液晶显示的波形 [ 2 ] 　黄敏松 ,行鸿彦 ,刘建成. ECG 监护仪前置放大电路设计. 现代 参考文献 : [ 1 ] 　代少升 ,张跃孙 ,张和君 ,等. 便携式远程心电实时监护仪的研 制[J ] . 医疗卫生设备 ,2006 ,27 (9) :1 2. 从图 9 中 TF T 液晶显示的波形看出 ,该心电图 仪显示波形清晰 、稳定 ,波形特征明显 ,能够满足实 际应用的需要 。 5 　小结 采用 S TM32 作为主控芯片 ,其内部包含丰富 　　　　 (上接第 945 页) 300 m 以内可以实现数据的可靠传输 ,完全能够满 足水质监测系统的组网要求 。特别需要指出的是 : 在 CC2430 的调试中 ,复位电容 (图 3 中的 C16) 对 芯片的识别影响很大 ,如果出现 CC2430 无法烧写 的问题 ,去掉复位电容即可解决 。 5 　总结 随着生产技术和人们文化水平的不断提高 ,水 质检测的手段也在不断的更新 ,利用电极法的水质 分析仪检测水质 ,正逐渐成为广大企业和个人的首 要选择 。本文设计的水质监测系统将无线通信和测 控技术结合起来 ,极大地提高了水质监测的实时性 、 连续性 ,对于自来水 、污水处理等需要对水质进行动 态监测的场合都有借鉴意义 。 电子技术. 2007 ,16 :187 189. [ 3 ] 　Winter B B , Webster J G. Driven right leg Circuit De sign. IEEE T rans. Biomed. Eng. 1983 ,BME 30 :62 66. [ 4 ] 　童 诗 白. 模 拟 电 子 技 术 [ M ] . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2001 133 148. [ 5 ] 　Cristi ,R. 著 ,徐盛等译. 现代数字信号处理[ M ] . 北京 :机械工 业出版社 ,2005 129 148 参考文献 : [ 1 ] 　刘哲. 镇江城市水体水质在线检测技术的研究[ D ] . 镇江 :江苏 大学. 2007 :15. [ 2 ] 　王玮 ,樊则宾. 基于 CC2430 的无线温度检测终端的设计 [J ] . 电子工程师 ,2007 ,8 :78. [ 3 ] 　瞿雷 ,刘盛德 ,胡咸斌. ZigBee 技术及应用[ M ] . 北京 :北京航空 航天大学出版社 ,2007 :10 13. [ 4 ] 　Texas Inst rument . CC2430 Datasheet [ EB/ OL ] . 2007 [ 5 ] 　Texas Inst rument . CC2591 Datasheet [ EB/ OL ] . 2008 [ 6 ] 　李振刚. 多功能_多参数水质监测仪研究及应用[ D ] . 青岛 :青 5. 6. 岛大学. 2007 :7 18. [ 7 ] 　高明煜 ,康惠海 ,曾毓. GPRS 技术在水质远程监测中的应用 [J ] . 上海 :渔业现代化. 2005 ,2 :32. [ 8 ] 　董亚超. 基于 ZigBee 技术的无线环境监测网络的开发[ D ] . 大 连 :大连理工大学. 2008 :50 54 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net