CN104181280B

CN104181280B - 一种基于wsn的水质监测节点

Info

Publication number: CN104181280B
Application number: CN201410458367.8A
Authority: CN
Inventors: 王宜怀; 陈建明; 李涛; 陈洪新
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Shenzhen Lide Environmental Development Co ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104181280A

Abstract

本发明提供了一种基于WSN的水质监测节点，所述水质监测节点负责采集待测水域的温度、pH值、溶解氧等水质数据，执行数据预处理和定时传输；并且加入基于ZigBee协议的低功耗无线网络，作为网络中的路由节点和普通节点；水质监测节点可以对自身进行无线配置，也具备降低功耗的机制，在空闲时可以减少能量损耗。本发明的水质监测节点的重要改进在于采用了传感器与微控制器芯片分离的结构，传感器负责物理量与电信号之间的转换，微控制器芯片主要负责数据的采集、处理和无线传输，采用可插拔的排针将两者结合在一起，有助于传感器节点的维护和功能的扩展。

Description

一种基于WSN的水质监测节点

技术领域

本发明涉及水质监测技术，更具体地，涉及一种基于WSN的水质监测节点。

背景技术

水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，水资源的可持续利用是社会、经济可持续发展的重要保证。近年来随着水资源的污染日益严重，水质监测作为水污染控制工作中的基础性工作，为水环境管理、污染源控制以及环境规划提供科学依据，其意义和作用也变得更加重要。

传统的自动化水质监测手段采用了有线自动监测系统。该系统利用传感器技术和嵌入式技术建造一个监测中心和若干监测子站，可实现水质数据的实时有效的自动采集和传输，同时监测中心可以实时查询各监测子站的数据。但该系统的数据传输需要有线网络，不适宜监测大面积水域，且维护成本过高。

WSN技术的高速发展和应用为水质监测提供了新的研究方向。WSN是将大量有感知能力、无线通信能力和计算能力的微型传感器节点采用规则或随机方式部署在监控区域，通过无线通信方式构成的自组织多跳的分布式网络。WSN的分布式网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点三大基本组成部分。部署在监测区域内的传感器节点通过自组织方式构成一个监测网络，将传感器节点获取的各种监测数据通过一定的路由方式集中到汇聚节点，汇聚节点通过互联网或其他网络转发数据到管理节点即用户终端。除了采集物理量数据之外，传感器节点通常还需承担路由节点的功能，转发别的传感器节点需要发送的数据。

WSN的数据采集网络依赖短距离无线通信技术实现传感器节点之间的数据传输。目前，各种短距离无线通信技术发展迅猛，应用广泛，比较成熟的有红外通信（InfraredDataAssociation，IrDA）、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中，ZigBee技术是在IEEE802.15.4协议标准的基础上发展起来的，是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，非常适用于构建WSN数据传输网络，目前已经成为绝大多数WSN系统的首选。

WSN集嵌入式技术、传感器技术、无线通信和现代网络技术、分布式信息处理技术等于一体，可以在任何时间、地点和环境下为用户提供大量详实可靠的信息。WSN具有成本低、组网灵活、对周边环境影响较小等特点。因此，利用WSN技术可以实现对水质的高效、快速、实时和远程监测。因此，基于WSN的水质监测系统成为了一项新的研究热点，具有广泛的应用前景。

在整个基于WSN的水质监测系统中，传感器节点是负责水质数据采集、处理和传输的最小功能单位，也是整个系统最基础的环节。传感器节点应当以具备低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标。传感器节点的可维护与可扩展性能对实现上述目标具有重要的价值。为了保证水质监测的准确可靠，定期通过维护更换感知灵敏度降低或者出现偏差的传感器是非常必要的，因而传感器节点应当具备易于实现上述维护过程，并且降低维护的成本。随着水质监测需求的日益提高，系统需要经常更新调整，相应地，传感器节点应当预留扩展接口，保证更换硬件时对系统不产生影响，同时在不影响现有功能的前提下增加新的功能和应用，实现系统的平滑升级。可见，在基于WSN的水质监测节点中，设计便于传感器维护以及扩展的传感器节点是对现有技术加以改进的一个方向。并且在强化易维护和扩展性能的同时，传感器节点仍然需要建立高效、节能的数据处理和通信传输机制，保证自身的感应准确性以及低功耗能力。

发明内容

基于现有技术中的上述需要，本发明提供了一种基于WSN的水质监测节点。

本发明所述的基于WSN的水质监测节点负责采集待测水域的温度、pH值、溶解氧等水质数据，执行数据预处理和定时传输；并且加入基于ZigBee协议的低功耗无线网络，作为网络中的路由节点和普通节点；水质监测节点可以对自身进行无线配置，也具备降低功耗的机制，在空闲时可以减少能量损耗。本发明的水质监测节点的重要改进在于采用了传感器与微控制器芯片分离的结构，传感器负责物理量与电信号之间的转换，微控制器芯片主要负责数据的采集、处理和无线传输，采用可插拔的排针将两者结合在一起，有助于传感器节点的维护和功能的扩展。

所述基于WSN的水质监测节点，包括：传感器模块、微控制器芯片以及电源模块；所述传感器模块包括水质监测传感器以及传感器调理电路，所述水质监测传感器用于感应水质参数并且生成相应的感应电压信号，所述传感器调理电路用于将水质监测传感器生成的感应电压信号进行信号调理和放大；所述微控制器芯片是采用单芯片集成SoC结构的主控芯片单元，所述微控制器芯片包括处理器模块以及ZigBee无线通信模块；所述处理器模块用于对经过信号调理和放大的感应电压信号进行AD转换、处理、存储，并且与ZigBee无线通信模块进行数据收发传输，以及执行与WSN网络的交互；所述ZigBee无线通信模块用于基于IEEE802.15.4协议进行数据的无线信号收发；所述处理器模块包括CPU单元、存储单元、时钟单元、多通道AD转换器单元、低电压监测单元、定时器单元以及GPIO端口；所述ZigBee无线通信模块包括RF收发器单元、缓存单元、电源管理单元、IRQ控制单元、控制逻辑单元以及GPIO端口；所述处理器模块与ZigBee无线通信模块通过SPI总线接口实现二者之间的数据传输，并且ZigBee无线通信模块基于发送IRQ中断请求实现与处理器模块的协同处理；所述电源模块用于对传感器模块及微控制器芯片进行供电。

优选的是，所述传感器模块通过可插拔的排针与所述微控制器芯片以及电源模块结合在一起。

优选的是，所述水质监测传感器置于水下并且通过延长线连接所述传感器调理电路；所述传感器调理电路以及微控制器芯片和电源模块设置于浮在水面上的防水盒内。

优选的是，所述传感器模块包括以下至少一种传感器：温度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器。

优选的是，所述传感器调理电路包括多级运算放大集成电路；其中，所述温度传感器调理电路包括由第一电阻、第二电阻、第三电阻以及金属热电阻采用三线制接法搭接的传感器测量电桥；所述多级运算放大集成电路为两级运算放大集成电路，其中第四电阻和第五电阻连接第一级运算放大集成电路并控制第一级放大；第六电阻和第七电阻连接第二级运算放大集成电路并控制第二级放大；

pH值传感器调理电路包括两级运算放大集成电路，并且两级运算放大集成电路的VCC管脚和VEE管脚分别连接正负电压；

溶解氧传感器调理电路包括三级运算放大集成电路，其中第八电阻和第九电阻连接第一级运算放大集成电路并控制第一级放大；第十电阻和第十一电阻连接第二级运算放大集成电路并控制第二级放大；第十二电阻和第十三电阻连接第三级运算放大集成电路并控制第三级放大。

优选的是，所述电源模块包括电源转换电路以及滤波电路，提供多路稳压直流输出，分别用于向传感器模块及微控制器芯片供电；所述电源转换电路包括双通道电源分配开关，所述双通道电源分配开关的输入电压管脚连接直流电源，两路电压输出管脚连接正向低压降稳压器的电压输入管脚，所述正向低压降稳压器的电压输出管脚提供稳压直流输出；正向低压降稳压器的电压输入管脚和电压输出管脚连接若干路滤波电容。

优选的是，所述处理器模块对传感器调理电路调理和放大的感应电压信号进行AD转换后进行滤波处理，所述滤波处理包括若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。

优选的是，所述微控制器芯片按照包模式进行数据收发；在包模式下，所述处理器模块以包为单位缓冲待发送数据，并且通过所述ZigBee无线通信模块发送，并且所述ZigBee无线通信模块以包为单位缓冲接收数据，并且通知所述处理器模块读取。

优选的是，所述ZigBee无线通信模块在完成数据发送或者接收后向处理器模块发送IRQ中断请求；所述处理器模块响应所述IRQ中断请求，读取IRQ中断类型状态并执行与所述IRQ中断类型状态相对应的后续处理。

优选的是，所述ZigBee无线通信模块具有活动模式和低功耗模式。

本发明所述的基于WSN的水质监测节点的改进在于：在硬件结构方面，采用了传感器模块与微控制器芯片分离的结构，在维护过程中可以只对失准或灵敏度下降的传感器模块进行更新，也可以通过结合新类型的传感器模块而实现功能扩展。微控制器芯片集成了数据采集、处理以及基于ZigBee协议无线收发，具有优良的数据处理机制和通信机制，能够提高水质监测的灵敏度和精确度，降低节点功耗，延长使用寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明所述的水质监测体系结构示意图；

图2是本发明所述的水质监测节点整体结构示意图；

图3是本发明所述的温度传感器调理电路结构示意图；

图4是本发明所述的pH值传感器调理电路结构示意图；

图5是本发明所述的溶解氧传感器调理电路结构示意图；

图6是本发明所述的微控制器芯片的内部结构框图；

图7是本发明所述的水质监测节点的电源模块的结构示意图；

图8是本发明所述的微控制器芯片IRQ中断程序处理流程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述基于WSN的水质监测体系的结构示意图。该体系具有传感器节点（节点层）—主控器（网关层）—监控中心（服务器层）的三层框架结构。根据这种架构，如图1所示，系统由三部分组成：部署在待测水域的传感器节点、部署在待测水域的主控器（网关）和部署在服务器上的远程监控中心。部署在待测水域的传感器节点动态自组织形成监测网络，可以采集温度、pH值、溶解氧中的一个或多个水质数据，并对其进行数据融合和数据存储等操作，最后将数据发送到网关；网关将所有的水质数据收集完成之后经过GPRS网络发送给远程监控中心；监控中心对接收到的数据进行分类和分析，并将超过设定阈值的污染水质情况进行告警，为水污染的防治提供技术支持，远程终端用户可以通过手机等设备或PC机对待测水域进行实时监测。

在整个WSN的体系当中，传感器节点是最小的功能单位，也是最基础的单位，负责水质数据的采集、处理和传输。它的设计应当以低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标。传感器节点应当具有以下几个功能：

（1）采集待测水域的温度、pH值、溶解氧等水质数据：在传感器节点上至少集成温度传感器、pH值传感器和溶解氧传感器，测量指标为：温度0～100℃，pH值0～14，溶解氧0～20mg/L。

（2）数据预处理和定时传输：传感器节点在采集到水质数据之后首先进行正确性判断，丢弃明显错误的数据，然后将数据按照一定的数据结构保存在节点中，等到一定的时间间隔后一次性将数据发送出去。

（3）节点配置：传感器节点能够接收网关发送的命令，对采样频率、上传时间间隔、发射功率等配置参数进行修改。

（4）组建基于ZigBee协议的低功耗无线网络：传感器节点上电后能够自动加入网络，并根据需要设置自己的角色为路由节点或普通节点，按照预定网络协议传输数据，空闲时进入低功耗模式，减少能量损耗。

本发明所提供的传感器节点在设计过程中以实现上述功能和性能要求为目标，重点考虑了以下几方面的因素：首先，传感器节点广泛大量布设于水体之中，受到环境和自身老化因素影响，易于出现灵敏度降低、测量数值失准直至完全失灵的情况，需要定期维护，对已经达不到要求的节点进行更新，因此传感器节点应当具有良好的可更新结构，能够以较低的成本实现节点维护。其次，本发明的传感器节点可以采集温度、pH值、溶解氧这三种水质数据，但是在水质监测中要监测的项目还有很多，如水压、浊度、导电率等，在节点设计时应充分预留扩展接口，实现通用扩展能力。第三，传感器节点经常部署在无人值守的野外，无法保持电力供应，故采用电池方式供电，由于电池电量有限，且不能频繁更换电池，这就需要节点设计节能高效。第四，传感器节点应当建立高效率、低成本和准确性高的数据处理和节点通信机制。

基于上述设计思路，本发明提供了如图2所示基于WSN的水质监测节点。所述基于WSN的水质监测节点包括：传感器模块1、微控制器芯片2以及电源模块3。所述传感器模块1具体包括水质监测传感器以及传感器调理电路，所述水质监测传感器用于感应温度、pH值、溶解氧等水质参数并且生成相应的感应电压信号，所述传感器调理电路用于将水质监测传感器生成的感应电压信号进行信号调理和放大，从而将传感器生成的微弱电信号放大到0－3.3V范围内的电信号，提供给微处理器芯片进行AD转换及后续的处理和通信。所述微控制器芯片2是采用单芯片集成（SoC）结构的主控芯片单元，该芯片将数据处理和无线通信的功能模块集成到一块芯片当中，提高了集成度，也减小了体积，但相应地数据处理的功能模块性能受到一定限制，需要改进的数据处理和通信机制。所述微控制器芯片当中集成了处理器模块以及ZigBee无线通信模块。所述处理器模块用于对经过信号调理和放大的感应电压信号进行AD转换、处理、存储，并且与ZigBee无线通信模块进行数据收发传输，以及执行与WSN网络的交互，是传感器节点的核心控制和数据处理模块。所述ZigBee无线通信模块用于基于IEEE802.15.4协议进行数据的无线信号收发。所述电源模块3用于对传感器模块及微控制器芯片进行供电。

所述水质监测传感器置于水下并且通过延长线连接所述传感器调理电路；所述传感器模块的传感器调理电路以及微控制器芯片和电源模块均设置于浮在水面上的防水盒内，各芯片和电路均经过必要的防水处理。

本发明中所使用的水质监测传感器可以包括：温度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器。

温度传感器检测水体温度。市场上常用的温度传感器有热电偶、热电阻和集成温度传感器。其中，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前，热电阻主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。其中，金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：R_t=R_t0[1+α(t-t₀)]，式中，R_t为温度t时的阻值，R_t0为温度t₀（通常t₀=0℃）时对应电阻值，α为温度系数。金属热电阻一般适用于-200～+500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：特别是铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小。中国最常用的铂热电阻有R₀=10Ω、R₀=100Ω和R₀=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000。本发明考虑到测量温度范围不大，但要求测量精度高，故采用测量精度高、稳定性好的Pt100铂电阻。Pt100铂电阻热响应时间小于30s，最小置入深度大于等于200mm，允许电流小于5mA，在0～100℃之间变化时，温度变化范围100～140Ω，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

Pt100常用的调理电路有恒流源测温电路和桥式测温电路。本发明采用了易于实现的桥式测温电路，电路原理图见图3。Pt-R2、Pt-R3、Pt-R4和Pt100构成传感器测量电桥（其中Pt-R2＝Pt-R4，Pt-R3为±1%的精密电阻），在传感器接入中采用三线制接法消除传感器两端导线的电阻干扰，为了保证电桥输出电压的稳定，电桥输入电压通过TL431稳定至2.5V。

本发明所应用的温度传感器调理电路除了上述桥式测温电路，还对从电桥输出的电压信号通过两级放大，再提供给微控制器芯片。如图3所示，放大电路采用LM324，LM324是四运放集成电路，电压范围宽（3.0～32V），静态电流小，工作温度范围宽（-25～+85℃），单电源供电时其最小放大倍数为一倍，最大放大倍数100倍，输入端最小电压0.03mV，输出最大电压为参考电压。本电路中LM324采用5V供电，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，采用两级放大，Pt-R7/Pt-R5控制第一级放大，Pt-R9/Pt-R10控制第二级放大。整个电路放大倍数约为（Pt-R7/Pt-R5+1）*（Pt-R9/Pt-R10+1），一般为30倍。当温度在0～100℃范围内变化时，放大后的电压在0～3.3V之内。

PH值传感器用于检测水体的PH值。PH值传感器的测量方法一般采用玻璃电极法。将测量电极和参考电极封装在一起构成pH复合电极。根据能斯特（Nernst）方程，输出电动势、被测液体的绝对温度、被测液体的pH值之间的关系为E=E0+KT(pHx-pH0)，其中E为输出电动势，E0为常数，跟电极材料等相关，K为Nernst系数，T为待测液体的绝对温度，pHx为待测液体pH值，pH0是复合电极内缓冲液的pH值。本发明采用玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳不可填充式复合电极，通过测量水中的氢离子活度来测量pH值，测量范围0～14，测量温度0～60℃，响应时间小于1分钟，电压输出范围-414.12～+414.12mV，电压和pH值之间满足线性关系，系数为59.16，即每变化1pH，电压变化59.16mV。

pH值传感器的电压范围为-414.12～+414.12mV，同样需要放大电路对信号进行放大之后才能输出给AD模块进行数模转换，其放大原理同温度传感器调理电路相似，采用LM324芯片进行电压放大，如图4所示。由于pH值传感器输出电压有正负电压之分，即被测液体为酸性时输出正电压，为碱性时输出负电压，因此，LM324采用双电源供电，VCC引脚为正电压VCC，VEE引脚为负电压-VCC，放大倍数为-1～-100倍和1～100倍。整个放大电路的放大倍数为（DR21/DR20+1）*（DR24/DR23+1）。

溶解氧（DissolvedOxygen，DO）是指溶解于水中分子状态的氧，即水中的O2。溶解氧是水生物生存不可缺少的条件，当溶解氧低于4mg/L时，就会引起鱼类窒息死亡，对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。因此，水体溶解氧含量的测量，对于水质监测具有重要意义。溶解氧传感器利用了电化学原理，任何两种活泼程度不相同的金属放进同一种电解质溶液中时，分别可构成一个原电池，两个电极中较活泼的金属其标准电位较低，成为原电池的负极，另一个标准电极较高的成为原电池的正极。存在于正负电极之间的通过离子导电的是电解液。阴极释放离子，阳极接收离子形成电流，电极反应中电子的转移量与参加反应的溶解氧量成正比，即输出电流与介质中氧浓度成正比。溶解氧电极分为原电池型和极谱型。两种传感器都有一个薄的半透过性膜，在传感器上展开，可以将电极和外部环境隔离的同时允许气体进入。在操作时传感器的底部会充满含少量表面活性剂的电解液以提高湿润效果，由于在测量过程中电解液参与反应，因此，需要定期更换电解液。由于使用的电极材料不同，极谱型电极需要外加0.6～0.8V的极化电压。原电池型电极的优点是响应时间快，缺点是寿命没有极谱型电极长，极谱型电极的优点是使用寿命长，缺点是需要5～15分钟的预热时间。本发明采用性价比较高的极谱式溶解氧传感器，测量范围0～20mg/L，温度适用范围0～40℃，零点输出小于0.3mV，响应时间小于20s，电压输出范围0.3～55mV。

溶解氧传感器调理电路工作原理同温度传感器调理电路相似，也是采用LM324对电压信号进行放大，其调理电路见图5。溶解氧传感器调理电路将溶解氧传感器的微弱信号通过三级放大之后输出给AD引脚。其中，R4/R5控制第一级放大，R8/R9控制第二级放大，R10/R11控制第三级放大，放大倍数为（R4/R5+1）*（R8/R9+1）*（R10/R11+1）。

本发明采用了8位或16位单芯片集成（SoC）结构的芯片解决方案作为所述微控制器芯片，该主控芯片解决方案将处理器模块MCU和ZigBee无线通信模块集成在同一个芯片中，不仅提高了集成度，也使芯片体积更小，但是限定了MCU的处理能力。所述处理器模块用于对经过信号调理和放大的感应电压信号进行AD转换、处理、存储，并且与ZigBee无线通信模块进行数据收发传输，以及执行与WSN网络的交互；所述ZigBee无线通信模块用于基于IEEE802.15.4协议进行数据的无线信号收发。

图6示出了微控制器芯片的内部结构框图。所述处理器模块MCU包括：CPU单元，可在40MHZ的最高系统频率下执行数据处理；存储单元，包括RAM单元及FLASH单元；内部时钟模块；多通道AD转换器单元ADC，提供8通道10位模数转换；低电压监测单元；16位定时器单元；32路GPIO端口；两路异步串行通信接口2xSCI；IIC总线；背景调试模块；以及SPI内部总线接口。所述ZigBee无线通信模块802.15.4Modem包括：RF收发器单元，该单元具体包括收发开关、频率发生器、模拟信号接收机、模拟信号发射机以及数字收发机单元；缓存单元RAM，提供收发数据缓存；RAM仲裁器；电源管理单元以及电压调节器；事件定时器；数字控制逻辑；多路GPIO端口；SPI内部总线接口，所述处理器模块与ZigBee无线通信模块通过SPI总线接口实现二者之间的数据传输；ZigBee无线通信模块还具有IRQ控制单元，从而ZigBee无线通信模块基于发送IRQ中断请求实现与处理器模块的协同处理。

图7是水质监测节点的电源模块的结构示意图。电源模块主要由电源转换电路及滤波电路组成，如图7所示，该模块具有两种输出电压5V和3.3V。其中5V为传感器模块供电，3.3V为处理器模块等提供参考电压。VCC_IN表示输入电压，在调试阶段可以使用5V直流电源供电，在节点部署之后则使用3.7V锂电池供电，由于本发明采用的微控制器芯片内部含有稳压电路，故VCC_IN经过滤波后可直接给微控制器芯片供电。图7中MIC2026是双通道电源分配开关，提供两路电压输出，允许电流500mA，节点启动之后，使能ENA则OUTA提供5V电压输出；使能ENB则OUTB提供5V电压输出，再经过AMS1117-3.3芯片可以产生3.3V的稳定电压输出。AMS1117-3.3是一个正向低压降稳压器，体积小、功耗低。同时，为了提高电源的抗干扰性，在电源周围安装了滤波电容，这种设计可以有效降低电源波动对系统的影响。

下面介绍本发明所述水质监测节点的工作过程。在水质监测节点启动之后，首先进行系统初始化。系统初始化模块是系统的核心部分，水质监测节点在开始工作之前需要对整个系统进行初始化。系统初始化主要包括系统时钟初始化、定时器初始化、AD初始化、串口初始化、Flash初始化、IO口初始化和数据缓冲区的初始化。初始化之后系统进入死循环执行相应的功能函数，完成水质数据采集、发送。

初始化过程中的主要设置如下：（1）关闭看门狗，防止芯片因计数器溢出而复位。一般在软件调试阶段关闭看门狗，而在系统正式运行之后开启看门狗，增加系统稳定性。（2）配置ZigBee无线通信模块，设置该无线模块的默认发射功率为全功率，默认通信信道为信道10，CLKO输出时钟为8MHz或4MHz。（3）采用CLKO作为处理器模块MCU的外部时钟源，经过分频倍频后系统时钟有8MHz和40MHz两种选择，考虑到系统的功耗问题故采用8MHz的系统时钟。（4）设置定时器1中断时间为10毫秒。（5）初始化串口1，设置波特率为9600。

当完成初始化工作之后，节点进入加入网络过程。如果没有网络可供加入则节点等待系统组网，如果有网络可供加入，节点在进行一系列验证之后选择合适的网络加入。传感器节点组成的网络可以划分为终端节点、簇首节点以及网关节点。

水质监测节点的中心任务是进行水质数据的采集和发送，系统设定了AD采集的时间间隔，当处于AD采集的时间段时，微控制器芯片的AD引脚对各传感器模块调理后的电压信号进行采集并发送给簇首节点，簇首节点接收各终端节点发送的数据，经过数据融合后一次性发送到网关节点。AD引脚采集的电压范围为0～3.3V，本文采用10位采样精度，经AD转换后数值范围为0～1023。在测量过程中，一般都会有来自系统本身或外界的噪声干扰，为增加测量数据的准确性，本文增加了滤波程序。程序滤波即通过一定的计算和判断，在程序中减少干扰信号在被测信号中的比例，经典的程序滤波方法有加权滤波、中值滤波和均值滤波等。本文采用中值滤波和均值滤波相结合的方法设计滤波程序，首先进插若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。例如，，微控制器芯片的AD模块首先进行20次AD采集，将采集到的AD值求和之后再取平均值，这样就得到了均值滤波后的结果，取三次均值滤波后的结果中的中间值作为最终结果发送或保存。

传感器节点的无线通信主要依赖于微控制器芯片集成的ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块与处理器模块MCU之间通过SPI通信实现数据的收发。定义了两种ZigBee无线通信模块与处理器模块MCU之间的数据传输模式：流（Stream）模式和包（Packet）模式。在流模式中，数据无论是发送或是接收都是逐字处理的，每接收或发送一个字的数据都会触发一次中断。而在包模式中，首先将要发送的数据一次性存储在发送缓冲区中，然后再一次性发送出去；数据接收时，接收方首先在数据缓冲区中缓存整个数据包，再触发中断通知MCU读取。在包模式下数据的收发需要等到所有的数据都已在缓冲区中才能进行，这会带来一定的延迟，但该方式不会频繁触发中断，降低了对MCU的资源占用，且便于数据的一次性处理，因此，本文在数据传输时采用包模式。

1．无线数据发送

在包模式下，数据的发送过程为：

（1）首先判断ZigBee无线通信模块是否处于空闲模式，若是则进入下一步，若否则终止发送并向上层返回出错信息。因为空闲模式是进入其他模式的初始模式，其他模式之间不能直接转换。

（2）MCU加载待发数据长度，然后通过SPI循环写事务将待发数据加载到发送数据缓冲区（TXRAM）中。

（3）MCU拉低发送/接收使能（RXTXEN）引脚，并将ZigBee无线通信模块从空闲模式转换到发送模式。

（4）MCU拉高发送/接收使能引脚并保持高电平，启动数据发送过程。

（5）完成数据发送之后产生一个IRQ中断，ZigBee无线通信模块返回空闲模式。

（6）进入IRQ中断处理函数完成后续动作，返回数据发送成功消息。

2．无线数据接收

在包模式下，数据的接收过程为：

（1）MCU拉低发送/接收使能引脚，并设置ZigBee无线通信模块中的Control_A寄存器，允许接收中断请求。

（2）MCU设置Control_A寄存器，将ZigBee无线通信模块从空闲模式切换到接收模式，如果Modem初始状态不是空闲模式，则终止接收过程，并返回出错信息。

（3）MCU拉高发送/接收使能引脚并保持高电平，启动数据接收过程。

（4）当数据接收完成之后，ZigBee无线通信模块会进行一系列合法性检查，确认数据接收无误后向MCU发出一个IRQ中断请求。

（5）MCU接受IRQ中断并响应，从接收数据缓冲区（RXRAM）中取出数据包并进行后续处理，返回接收成功消息。

当ZigBee无线通信模块完成某项操作之后（如发送、接收等），会拉低MCU的IRQ中断引脚，向MCU发出一个IRQ中断请求，MCU接受并响应该中断，进入IRQ中断处理函数进行状态处理。如图8所示的IRQ中断程序处理流程，进入IRQ中断处理函数之后，MCU读取IRQ状态寄存器，该寄存器中保存了产生中断的类型信息，由于可能出现多个IRQ中断同时产生的情况，为防止遗漏，在读完状态寄存器信息后，立刻判断IRQ引脚是否再次被拉低，若是则再次读取IRQ状态寄存器，如此循环直到没有中断产生。读完状态寄存器的内容之后，根据不同的中断类型执行对应的操作。

降低节点的能量消耗对于维持节点生命周期具有重要意义。ZigBee无线通信模块的能量消耗占消耗总能量的80%以上，因为节点即使在空闲时也需要侦听无线信道，消耗能量。为了降低节点不必要的能耗本文从以下方面入手进行低功耗设计：

（1）减少通信量。本文设计了高效的通信协议，减少通信过程中帧头和校验开销，并采用数据融合技术减少数据通信量。

（2）增加休眠机制。节点发送数据时能耗最大，在接收和空闲状态能耗相近，而休眠状态能耗最少，所以在节点空闲的时间段让节点进入休眠状态。

ZigBee无线通信模块有活动模式和低功耗模式两种运行模式，其中活动模式包含空闲（Idle）模式、接收（RX）模式、发送（TX）模式三种；低功耗模式包括关闭（Off）模式、休眠（Hibemate）模式和假寐（Doze）模式三种。活动模式下，默认为空闲模式，它也是接收和发送两种模式的中转模式，即接收和发送两种模式之间不能直接转换，需要先退回到空闲模式后，才能进入另一种模式。低功耗模式下，关闭模式功耗最低，工作电流为0.2μA；其次为休眠模式，工作电流为1.0μA；假寐模式功耗最高，工作电流为35μA，低功耗模式下大部分硬件模块都会停止工作。本发明的技术方案选择的是Doze模式，选择Doze模式的最大优势为其退出低功耗模式的恢复时间很短，大约0.3ms。

MCU低功耗模式有Stop1、Stop2、Stop3等模式。对MCU而言Stop1模式虽然功耗最低（工作电流25nA）但是它需要外部中断（上电中断）才能恢复，且所有寄存器和RAM数据会丢失，因此本发明选择可以通过实时时钟中断（RTI）唤醒的Stop2模式，通过RTI唤醒MCU。RTI在使用内部时钟源时，其产生中断的最大周期为1024ms。

综上所述，本发明所述的基于WSN的水质监测节点的改进在于：在硬件结构方面，采用了传感器模块与微控制器芯片分离的结构，在维护过程中可以只对失准或灵敏度下降的传感器模块进行更新，也可以通过结合新类型的传感器模块而实现功能扩展。微控制器芯片集成了数据采集、处理以及基于ZigBee协议无线收发，具有优良的数据处理机制和通信机制，能够提高水质监测的灵敏度和精确度，降低节点功耗，延长使用寿命。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明还可以应用在其它设备中；以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims

1.一种基于WSN的水质监测节点，其特征在于，包括：传感器模块、微控制器芯片以及电源模块；所述传感器模块包括水质监测传感器以及传感器调理电路，所述水质监测传感器用于感应水质参数并且生成相应的感应电压信号，所述传感器调理电路用于将水质监测传感器生成的感应电压信号进行信号调理和放大；所述微控制器芯片是采用单芯片集成SoC结构的主控芯片单元，所述微控制器芯片包括处理器模块以及ZigBee无线通信模块；所述处理器模块用于对经过信号调理和放大的感应电压信号进行AD转换、处理、存储，并且与ZigBee无线通信模块进行数据收发传输，以及执行与WSN网络的交互；所述ZigBee无线通信模块用于基于IEEE802.15.4协议进行数据的无线信号收发；所述处理器模块包括CPU单元、存储单元、时钟单元、多通道AD转换器单元、低电压监测单元、定时器单元以及GPIO端口；所述ZigBee无线通信模块包括RF收发器单元、缓存单元、电源管理单元、IRQ控制单元、控制逻辑单元以及GPIO端口；所述处理器模块与ZigBee无线通信模块通过SPI总线接口实现二者之间的数据传输，并且ZigBee无线通信模块基于发送IRQ中断请求实现与处理器模块的协同处理，所述ZigBee无线通信模块在完成数据发送或者接收后向处理器模块发送IRQ中断请求，所述处理器模块响应所述IRQ中断请求，读取IRQ中断类型状态并执行与所述IRQ中断类型状态相对应的后续处理；所述微控制器芯片按照包模式进行数据收发；在包模式下，所述处理器模块以包为单位缓冲待发送数据，并且通过所述ZigBee无线通信模块发送，并且所述ZigBee无线通信模块以包为单位缓冲接收数据，并且通知所述处理器模块读取；所述电源模块用于对传感器模块及微控制器芯片进行供电；其中，所述ZigBee无线通信模块具有活动模式和低功耗模式；其中活动模式包含空闲模式、接收模式、发送模式三种；低功耗模式包括关闭模式、休眠模式和假寐模式三种；活动模式下，默认为空闲模式，空闲模式也是接收和发送两种模式的中转模式，接收和发送两种模式之间不能直接转换，需要先退回到空闲模式后，才能进入另一种模式；低功耗模式下，关闭模式功耗最低，其次为休眠模式；假寐模式功耗最高；处理器模块的低功耗模式是通过实时时钟中断唤醒的Stop2模式，通过RTI唤醒MCU，RTI在使用内部时钟源时，其产生中断的最大周期为1024ms。

2.根据权利要求1所述的水质监测节点，其特征在于，所述传感器模块通过可插拔的排针与所述微控制器芯片以及电源模块结合在一起。

3.根据权利要求2所述的水质监测节点，其特征在于，所述水质监测传感器置于水下并且通过延长线连接所述传感器调理电路；所述传感器调理电路以及微控制器芯片和电源模块设置于浮在水面上的防水盒内。

4.根据权利要求1所述的水质监测节点，其特征在于，所述传感器模块包括以下传感器：温度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器。

5.根据权利要求4所述的水质监测节点，其特征在于，所述传感器调理电路包括多级运算放大集成电路；

其中，所述温度传感器调理电路包括由第一电阻、第二电阻、第三电阻以及金属热电阻采用三线制接法搭接的传感器测量电桥；所述多级运算放大集成电路为两级运算放大集成电路，其中第四电阻和第五电阻连接第一级运算放大集成电路并控制第一级放大；第六电阻和第七电阻连接第二级运算放大集成电路并控制第二级放大；

6.根据权利要求1所述的水质监测节点，其特征在于，所述电源模块包括电源转换电路以及滤波电路，提供多路稳压直流输出，分别用于向传感器模块及微控制器芯片供电；所述电源转换电路包括双通道电源分配开关，所述双通道电源分配开关的输入电压管脚连接直流电源，两路电压输出管脚连接正向低压降稳压器的电压输入管脚，所述正向低压降稳压器的电压输出管脚提供稳压直流输出；正向低压降稳压器的电压输入管脚和电压输出管脚连接若干路滤波电容。

7.根据权利要求1所述的水质监测节点，其特征在于，所述处理器模块对传感器调理电路调理和放大的感应电压信号进行AD转换后进行滤波处理，所述滤波处理包括若干次均值滤波处理，以及对若干次均值滤波处理的中间结果进行中值滤波处理。