基于CC2530的水环境监测系统设计.doc

基于CC2530的水环境监测系统设计朱 娟(湖北文理学院物理与电子信息工程学院，湖北 襄阳 441053)摘要：为了解决有线水环境监测系统布线难、成本高、监测范围受限等问题，本文设计了一种基于CC2530的无线传感器网络系统对水环境进行实时监测。该系统以Zigbee CC2530芯片和CDMA模块为核心，利用分布在监测水域的各传感器节点采集数据，数据经zigbee无线网络传至中心节点，再通过CDMA模块传给远程数据管理中心。该系统具有成本低、可靠性好，易于维护等优点，有很好的应用前景。关键词：zigbee；CC2530；水环境监测；无线传感器网络The Design of Water Environment Monitoring System Based on CC2530Zhu Juan(Institute of physics and electronic information engineering, Hubei University of Arts and Science,xiangyang 441053)Abstract: To solve the problem of difficult to set up the network，high cost and restricted scope in existing cable water environment monitoring system, this paper designs a wireless sensor network system based on CC2530 for real-time monitoring of water environment. The system is constructed on Zigbee CC2530 chips and CDMA module,collecting data using of sensor nodes which distribute in the monitoring water.the data is transmited to center node by zigbee wireless network,then to the remote data management center through CDMA module. The system have many advantages,such as low cost, good reliability, easy maintenance, etc, and also has a good application foreground.Key words:zigbee;CC2530; water environment monitoring ; wireless sensor network 1 引言水乃生命之源，因此对水环境的监测显得尤为重要。高效、实时、准确地掌握我们周围水环境的信息，不仅能及时处理工农业带来的水污染，更是给我们的生活带来了强有力的保障。现有的水环境监测方法主要有两种：（1）采用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式；（2）采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境监测系统。前者无法对水环境参数远程实时监测，劳动强度大、数据采集慢，无法反映水环境动态变化。后者虽能反映动态变化，但一般都采用有线监测，系统成本高，监测范围小。而时下新兴的zigbee无线传感网络恰能解决以上两种问题，它具有低功耗、高质量、低成本的双向传输等特点，在水环境监测中显现出特有的优势，可以方便的实现大范围水域的实时监测。2 系统总体设计基于zigbee无线传感网络的水环境监测系统总体结构如图1所示，系统主要由传感器节点、中心节点、CDMA模块和监控中心组成。传感器节点任意分布在某一监测区域，多个传感器节点与一个中心节点构成zigbee通信子网，中心节点通过zigbee协议与各个传感器节点进行通信，获取各个传感器节点采集到的数据，再通过CDMA无线通信模块将数据发送到远程监控中心。作者简介：朱娟（1984），女，湖北襄阳人，硕士，研究方向：嵌入式技术及其应用（E-mail:）图1 系统总体框图3 系统硬件设计3.1 传感器节点设计传感器节点由zigbee射频收发模块和传感器组成，其结构图如图2所示。zigbee射频收发模块主芯片采用TI公司的CC2530，它是TI最新推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射频收发器，该芯片工作的频率范围是24002483.6MHZ，支持数据传输高达250Kb/s,CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标注的8051MCU，可编程Flash存储器、8KB RAM和许多其它强大功能。CC2530有4 种不同的Flash 版本: CC2530F32 /64 /128 /256，分别具有32 /64 /128 /256 KB Flash 存储器 CC2530 比较适合需要超低功耗的系统，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点，可以实现多点对多点的快速组网，是一个真正的用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE 应用的片上系统 ( SOC) 解决方案2。图2 传感器节点结构图传感器选择M45453 多参数水质检测传感器，可同时测量多达17 项水质参数，包括pH 值、温度、溶解氧、电导率、浊度、氨氮浓度和氯化物浓度等参数1，这些参数的物理量和化学量将被转化为电信号，经A/D转换后进行调理打包。传感器节点使用锂电池供电，因而低功耗设计成为主要考虑的问题，在不进行数据采集时，其进入休眠模式。电源电路采用片内1.8V稳压器为所需电路提供1.8V电源，配一个1F去耦电容，以提高电源工作的稳定性，在管脚22、23和32、33上分别用32MHz、32.768KHz的石英谐振器构成两个晶振电路；天线是射频收发模块的重要器件，它直接影响系统的整体性能，系统中使用巴伦匹配电路来进行射频收发信号的匹配，天线采用效率高、结构紧凑、馈电方便的印制弯折倒F型天线，具有尺寸小、剖面低、成本低等特点2。3.2 中心节点设计 中心节点由主控制器、zigbee射频收发模块、CDMA通信模块组成，zigbee射频收发模块与微处理器之间采用串口中断通信，当中心节点zigbee模块收到传感器节点采集到的数据后，会通过中断触发主控制器完成接收数据、存储数据等任务，并触发CDMA模块向监控中心发送数据。主控制器采用Samsung公司的S3C2410处理器，它是一款低价、低功耗、高性能的16/32位系统微处理器，具有丰富的接口资源、足够的内存空间，能满足本系统的设计要求。CDMA模块由无线数据传输终端Saro6550EP CDMA DTU来实现数据传输及数据共享。该终端采用模块化设计，是基于CDMA技术的DTU，符合CDMA IS-95A/B、CDMA 20001X 空中接口标准，采用低功耗高性能的嵌入式处理器，可高速处理协议和大量数据，内嵌标准的TCP/IP协议栈， 数据终端永远在线，支持全透明方式下多中心数据传输，支持根据域名和IP 地址访问中心，多种工作模式选择，使用方便、灵活，软硬件看门狗设计，保证系统稳定，采用5V35V 电压，供电电源适应性更宽，抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求，方便的系统配置和维护借口，支持串口软件升级和远程维护。4 系统软件设计系统软件主要针对传感器节点和中心节点进行设计，软件流程图如图3所示。传感器节点功能主要是通过传感器采集数据（采集周期为20s），并将数据发送至中心节点，未采集数据时，进入休眠期；中心节点功能主要是接收数据，并将其传至CDMA模块，最终发送到监控中心，另一方面中心节点还需对网络进行监听，查看是否有新的节点加入网络，同时为其分配一个网络地址1。系统监控中心主要实现对无线传感网络的管理与监控，管理界面采用VB语言进行开发，将其部署在一台具有外网IP的服务器上，通过TCP/IP协议与中心节点进行通讯。图3 系统软件流程图5 实验测试实验中对汉江水域的水质进行监测，现场布置4个传感器节点和1个中心节点，组成无线传感器网络，实时监测pH 值、温度、溶解氧、电导率、浊度等参数。中心节点将各个传感器节点采集到的数据通过CDMA传输至监控中心，在监控中心通过串口助手软件查看传输的数据，一次瞬时结果如图4所示图4 实验结果图4 实验结果图实验结果表明，此系统能够实现水环境多种参数的实时采集和可靠传输，通过监控中心可以方便地对各个参数进行实时监控。6 结束语本文提出了基于zigbee技术的无线水环境监测系统设计，在低功耗、具备休眠模式的芯片上实现了传感器节点和中心节点的硬件设计，同时利用CDMA技术解决了远程数据的实时传输，不仅扩大了监测范围，更重要的降低了部署和维护成本，具有很强的应用价值。本系统组网方便，可通过增加网关节点来扩大子网数量，实现更大范围的监控，也可稍加改动实现其它领域的监控，应用前景非常广阔。参考文献：1陈华凌,陈岁生,张仁政.基于zigbee无线传感网络的水环境监测系统J.仪表技术与传感器,2012(1):71-73.2刘辉,赵丽芬,孙番典,张品.基于CC2530的zigbee射频收发模块设计J.云南民族大学学报:自然科学版，2012,21（6）:452-456.3王剑.基于zigbee技术的远程水质监测系统关键技术的研究与实现J.节水灌溉,2011（6）:65-674 Linlin Cuia, Yude Liub, Wentian Shi, Quan Gan, Qi Liu. Res