摘 要：针对传统水质实时检测系统布线难、维护成本高等难题，结合无线传感网络技术，本文提出了一种新的水质监测无线传感器网络水质监测系统——基于ZigBee的水质监测系统。现场的传感器节点负责检查水质参数，无线通信技术选择ZigBee技术，ZigBee技术不仅具有距离近、复杂度低、组网能力强、成本低及可靠性高的特点，并且自有无线通信标准，可以使用接力的方式在多个测量节点间相互协调实现通信，充分满足了无线水质监测的需要。
关键词：无线水质实时监测；无线传感器网络；ZigBee
中图分类号：X84；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0063-03
Abstract：A new water quality monitoring system for water quality monitoring wireless sensor network based on ZigBee is proposed in this paper，in view of the difficult problem of wiring difficult and high maintenance cost of the traditional water quality real-time detection system. The sensor nodes in the field are responsible for checking the water quality parameters，and the wireless communication technology chooses the ZigBee technology. The ZigBee technology not only has the characteristics of close distance，low complexity，strong networking ability，low cost and high reliability，and has its own wireless communication standard. It can be coordinated with each other by means of relay. Communication fully meets the needs of wireless water quality monitoring.
Keywords：wireless water quality real-time monitoring；wireless sensor network；ZigBee
1 研究背景
随着我国经济规模的不断扩大，水污染问题也越来越严重。近几年发生的水污染事件使人们对水环境的保护问题越来越重视，所以合理利用水资源和防止水环境的污染显得格外重要，这也给我国水质监测工作提出了更高的要求。传统的水质监测方法由于操作复杂度高、成本高、实时性差，以及具有偶然性等缺点，很难大范围地普及，不能准确反映整个水体水质的变化过程，因此，需要一种新的水质监测系统来辅助传统的水质监测方法，更好地实现对水环境的监测。
2 水质检测技术
水质监测是五水共治工作的重要组成部分，是检验工作成果的基础和技术支持。水质指标实时自动监测系统的研制在我国还未普及，但欧美一些发达国家在这方面已趋向成熟，如美国等一些发达国家，几乎在重要水质监测点都安装了有关监测仪器，对水处理设施的运行情况以及排水流量、PH值、DO、电导、浊度、温度和余氯等值进行自动监控，在监控中心可以随时获悉相关水质情况。本次研究团队在进行了充分的调研、考察、征询客户意见等的基础上，研制开发了集自动化、即时化、智能化于一体的经济实用的基于ZigBee的无线水质实时监测系统，并且考虑到传感器的位置不同，采集的水质指标也会有不同的变化，因此，传感器将成垂直排列，这样就可以建立湖泊、河流等水质的立体水质数据库。
3 基于ZigBee技术的无线传感器网络
近几年来，全球通信技术的发展日新月异，尤其是近两三年来，无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现如火如荼的发展态势。其中ZigBee技术成本低、功耗低，受到工业应用市场的青睐。
ZigBee是一个针对传感器网络等应用的短距离无线技术规范，ZigBee网络设备按照通信功能可以分为：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。一个ZigBee网络的形成必须由FFD率先担任网络协调器，再由协调器进行扫描搜索，并以发现一个没有用的最佳信道来建立网络，再让其他的FFD或是RFD加入这个网络，而且需要注意的是RFD只能与FFD连接，而事实上人们可以根据装置在网络中的角色和功能，预先将装置编好程序，如协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来组建一个网络，路由器的功能是通过扫描搜索，以发现一个激活的信道，并将其连接，然后让其他装置连接，而末端装置的功能是试图连接到一个已经存在的网络。
ZigBee可以构建星型、树型和网型网络拓扑结构。三种网络拓扑结构各有其特点。如图1所示。
无线水质监测要实现无线通信，需要组建一个ZigBee网络。可以根据水质监测区域的情况将水域分为多个维度或是多个监测小区域，每一个监测点放置一个传感器网络节点，由于本系统为垂直设计，放置不同深度节点的传感器群，由路由器管理三个及以上节点，以星型网络拓扑结构为例，其拓扑结构如图2所示。
4 水质监测系统架构
4.1 系统功能及总体设计
无线传感器网络水质监测系统主要是实现水质的综合监测和水污染早期预警的系统，其结构图如图3所示，传感器完成对监测区域内水体信息的采集，在每一个深度位置将采用三个传感器（温度传感器、PH传感器和电导率传感器）对水质指标进行采样，一般通过稳定的持续电源供电，将测得的相关参数沿无线网络传输，通过汇聚节点连接ZigBee网络等外部网络，最终将数据传给终端大屏幕，工作人员可以在现场或者远程观测屏幕进行水质的监测分析，实现实时传输数据，实时监测，方便实时查看、管理、配置传感器网络以及发布监测任务。这样就实现了对水质重要参数的实时监测。
4.2 系统的硬件设计及相关元器件的选择
本文中的无线水质监测系统包括无线通信网络、传感器数据采集模块、无线通信模块、电源模块、信号调理模块以及其他外围设备模块。传感器数据采集模块主要采集各类水质信息，通过无线通信模块接收信息，并进行后续数据处理。系统总体硬件示意图如图4所示。
4.2.1 传感器数据采集模块
（1）电导率传感器。选用DJS-1型铂黑电导电极传感器，铂黑电极壳能有效防止在测定较高电导溶液时出现地极化现象，可对常规水体电导率进行精确测量，测量电导率时需要在两极端加交流激励信号，将电导电极浸入待测水体中测量两极端之间的电压及回路电流，即可计算出测量水体电导率，为了便于芯片进行数据读取与处理，还涉及交直流转换。
（2）温度传感器。选用DS8B20温度传感器，该传感器能适应复杂的温度测量环境，适应的电压范围广。其主要特点是DS18B20在使用时不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS8B20温度传感器通过数据线直接与CC2530芯片连接，即可实现温度测量。
（3）PH值传感器。选用E-201-C型PH复合电极测量PH值。该电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合PH电极，电极为可充式且抗干扰能力强。该电极浸入溶液后，玻璃膜外侧与待测PH溶液的相界面上要发生离子交换。玻璃指示电极与参比电极组成的原电池电动势最终通过导线由电表显示，由此测出水体PH值。E-201-C型PH复合电极在测量时，温度控制在0～60摄氏度，响应时间小于2分钟。
4.2.2 电源模块及其他外围设备模块
系统采用可靠性较高的电池为系统供电，包含显示模块、数据存储模块、信号调理模块。显示模块由一块LED屏幕显示器构成，与ZigBee芯片通过无线连接，接收芯片发回的数据显示测得的水质参数，并提供可视化的用户界面，便于观察与分析。
5 结 论
本文提出基于ZigBee技术无线传感器网络的水质监测方案，它充分考虑了系统的需要。传感器技术和无线通信技术是近年来快速发展的应用型技术，将其应用到水质监测中，为解决日益严重的水质污染或污水排放的监测等提供了技术支持。本文对水质检测的传感器节点选择、无线网络通信两个方面进行了分析、介绍，分析了几种重要的水质检测参数、传感器监测技术和ZigBee网络通信技术。能耗低、抗干扰、可扩展的水质检测技术是进一步研究的方向和热点。
参考文献：
[1] 刘丽.基于Zigbee技术的无线传感器网络在水质监测系统中的应用 [J].安徽职业技术学院学报，2009，8（1）：14-17.
[2] 敖俊宇.基于ZigBee的水质监测无线传感器网络的研究 [D].南昌：南昌大学，2012.
[3] 包启明.基于ZigBee的水质监测与传输系统研究与设计 [D].广州：广东工业大学，2015.
[4] 朱晓舒，时斌，齐亮，等.基于ZigBee技术的水质监测系统的设计与实现 [J].南京师范大学学报（工程技术版），2012，12（2）：69-73.
[5] 李鑫星，王聪，田野，等.基于ZigBee的多参数水质在线监测系统 [J].农业机械学报，2015，46（S1）：168-173.
[6] 程春荣，毛祥根，武利珍.基于ZigBee技术的水质监测系统 [J].电子器件，2009，32（5）：942-945+949.
[7] 兰音波.基于Zigbee无线传感器网络技术的水环境监测系统 [D].南京：南京邮电大学，2015.
[8] 刘倩，李道亮，马道坤，等.水产养殖水质pH值智能变送器设计 [J].农业工程学报，2008，24（S2）：138-141.
作者简介：罗兴浩（1998-），男，汉族，学士。研究方向：物联网；通讯作者：赵盛萍（1988.02-），女，汉族，助教，硕士。研究方向：系统仿真与建模、物联网。
