CN206146917U - 基于ZigBee无线技术的水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于ZigBee无线技术的水质监测系统，包括依次连接的ZigBee终端采集节点、ZigBee协调器以及监控端；所述ZigBee终端采集节点包括传感器模块和ZigBee模块；所述传感器模块包括溶氧传感器和/或pH电极传感器；所述ZigBee模块包括微处理器和ZigBee无线射频模块；所述传感器模块与所述微处理器连接，所述ZigBee无线射频模块与所述ZigBee协调器无线连接。本实用新型基于ZigBee网络无线通信技术实现水质传感信息的无线传输，以便对水质参数和生态环境进行高效、智能、实时、远程的监控，同时又具有低成本、低功耗、高精度的特点。

Description

基于ZigBee无线技术的水质监测系统

技术领域

本实用新型涉及水质监测领域，具体说的是基于ZigBee无线技术的水质监测系统。

背景技术

随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，全球性的水污染，水资源的过度消耗和管理不当已经造成可利用水资源水量和水质的大幅下降。现在，世界上每天有6000人因为得不到水或足够清洁的水而死亡。如果这种趋势不能得到有效控制，20年后，世界人口的2/3将面临无水可用的危境。人们的生活处处离不开水，如何维护我们身边水源的洁净对人类文明有重要的意义。当水质低于一定的标准时，水生物的死亡率就会上升，若不及时治理，就会导致水质恶化和生态环境失衡。为建设美丽校园，让广大师生有个舒适的学习和生活环境，提高观音湖水质，对湖水进行实时监控十分有必要。

溶氧量，硝酸盐，pH值等都是衡量水质的重要参数，是评定水质等级的重要指标。实时性是衡量检测系统性能的重要指标，关系到监测系统能否及时预警并采取有效的处理措施。传统的水质检测方法大多是人工操作，只是在某些监测点定时、定点取样，然后将样品带回实验室分析或者在野外进行现场测定。这种检测方法存在样品采集点数量少、检测频率低、检测时间长、数据准确性低等缺点，方式虽简单易行，但财力、物力、人力投入巨大。再加上覆盖范围有限、无法进行实时监测，导致在监测中出现判断失误，无法及时的采取有效的治理措施。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于ZigBee无线技术的水质监测系统，能够实现对水质参数的生态环境高效、智能、实时的检测。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

基于ZigBee无线技术的水质监测系统，包括依次连接的ZigBee终端采集节点、ZigBee协调器以及监控端；所述ZigBee终端采集节点包括传感器模块和ZigBee模块；所述传感器模块包括溶氧传感器和/或pH电极传感器；所述ZigBee模块包括微处理器和ZigBee无线射频模块；所述传感器模块与所述微处理器连接，所述ZigBee无线射频模块与所述ZigBee协调器无线连接。

其中，所述ZigBee协调器与监控端串口连接。

其中，所述ZigBee模块还包括A/D转换器，所述A/D转换器与所述微处理器连接。

其中，所述ZigBee模块还包括天线，所述天线与所述ZigBee无线射频模块连接。

其中，所述ZigBee模块还包括存储器，所述存储器与所述微处理器连接。

其中，所述ZigBee终端采集节点还包括DC电源模块，所述DC电源模块分别与所述传感器模块和ZigBee模块连接。

其中，所述ZigBee终端采集节点还包括蜂鸣器LED指示灯，所述蜂鸣器LED指示灯分别与所述微处理器和DC电源模块连接。

其中，所述传感器模块包括pH电极传感器、溶氧传感器以及pH信号调理电路，所述pH电极传感器的输出端通过所述pH信号调理电路与所述微处理器连接。

其中，所述传感器模块还包括分压电路，所述pH信号调理电路通过所述分压电路与所述微处理器连接。

其中，所述监控端为PC端；所述ZigBee模块为CC2530集成单片机。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的水质监测系统，通过安装在被测量水质中的传感器模块将采集到的水质传感信息发送至ZigBee模块；经ZigBee模块无线发送至ZigBee协调器后再传输至监控端显示，基于ZigBee网络无线通信技术实现水质传感信息的无线传输，以便对水质参数和生态环境进行高效、智能、实时、远程的监控，同时又具有低成本、低功耗、高精度的特点。

附图说明

图1为实施例水质监测系统的整体结构示意图；

图2为实施例中一具体实施方式的ZigBee终端采集节点的结构示意图；

图3为实施例中一具体实施方式中pH电极传感器的电路原理图一；

图4为实施例中一具体实施方式中pH电极传感器的电路原理图二；

图5为实施例中一具体实施方式中pH信号调理电路的电路连接示意图一；

图6为实施例中一具体实施方式中pH信号调理电路的电路连接示意图二；

图7为实施例中一具体实施方式中DC电源模块的电路图一；

图8为实施例中一具体实施方式中DC电源模块的电路图二。

标号说明：

1、ZigBee终端采集节点；2、ZigBee协调器；3、监控端；4、溶氧传感器；

5、pH电极传感器；6、ZigBee模块；7、ZigBee无线射频模块；

8、微处理器；9、A/D转换器；10、存储器；11、天线；12、传感器模块；

13、DC电源模块；14、蜂鸣器LED指示灯。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本实用新型最关键的构思在于：将采集到的水质传感信息发送至ZigBee模块；经ZigBee模块无线发送至ZigBee协调器后再传输至监控端显示，实现实时、远程、高效的对水质进行监控。

请参照图1以及图2，本实用新型提供一种基于ZigBee无线技术的水质监测系统，包括依次连接的ZigBee终端采集节点、ZigBee协调器以及监控端；

所述ZigBee终端采集节点包括传感器模块和ZigBee模块；所述传感器模块包括溶氧传感器和/或pH电极传感器；所述ZigBee模块包括微处理器和ZigBee无线射频模块；所述传感器模块与所述微处理器连接，所述ZigBee无线射频模块与所述ZigBee协调器无线连接。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：通过ZigBee终端采集节点采集水质传感数据后，经微处理器进行初步处理，然后再基于ZigBee无线传输技术将处理后的水质传感数据发送至ZigBee协调器，最终传输至监控端进行显示，以便工作人员远程的实时掌握被监控环境的水质情况。

进一步的，所述ZigBee协调器与监控端串口连接。

由上述描述可知，ZigBee协调器通过USB转串口的方式将水质传感数据传送至监控端，供其显示，有线传输方式具有传输效率高、传输稳定等特点。

进一步的，所述ZigBee模块还包括A/D转换器，所述A/D转换器与所述微处理器连接。

进一步的，所述ZigBee模块还包括天线，所述天线与所述ZigBee无线射频模块连接。

进一步的，所述ZigBee模块还包括存储器，所述存储器与所述微处理器连接。

由上述描述可知，ZigBee模块接收到传感器模块发送过来的水质传感数据后，通过A/D转换器进行模数转换，得到实际参数，然后可以保存到存储器中，以备调用，或者直接通过ZigBee无线射频模块无线发送；通过设置天线，能够增强ZigBee无线射频模块的无线收发能力，提高其数据传输效率。

进一步的，所述ZigBee终端采集节点还包括DC电源模块，所述DC电源模块分别与所述传感器模块和ZigBee模块连接。

由上述描述可知，电源模块可以依据不同的电压需求输出不同等级的电压进行供电，保证系统内各功能模块的正常运行。

进一步的，所述ZigBee终端采集节点还包括蜂鸣器LED指示灯，所述蜂鸣器LED指示灯分别与所述微处理器和DC电源模块连接。

由上述描述可知，可以通过蜂鸣器LED指示灯显示ZigBee终端采集节点的工作状态，同时在特定情况下进行蜂鸣提示。

进一步的，所述传感器模块包括pH电极传感器、溶氧传感器以及pH信号调理电路，所述pH电极传感器的输出端通过所述pH信号调理电路与所述微处理器连接。

由上述描述可知，通过pH信号调理电路对pH电极传感器输出的电压信号进行放大处理，克服所述电压信号微弱，且玻璃电极内阻很高的问题。

进一步的，所述传感器模块还包括分压电路，所述pH信号调理电路通过所述分压电路与所述微处理器连接。

由上述描述可知，由于微处理器接收引脚的最大耐压只有3.6v，而经过放大处理的电压最高可达5v，通过分压电路进行分压处理来解决。

进一步的，所述监控端为PC端；所述ZigBee模块为CC2530集成单片机。

由上述可知，通过CC2530增强型单片机完成采集数据的无线发送和接收，且可使系统的整体功耗降低。

实施例

请参阅图1和2，本实施例提供一种基于ZigBee无线技术的水质监测系统，能够实现被测水资源的水质参数的高精度、实时、智能、高效的远程监控。

所述水质监测系统包括依次连接的ZigBee终端采集节点1、ZigBee协调器2以及监控端3；所述ZigBee协调器2以及监控端3相对ZigBee终端采集节点1位于远端，所述监控端3可以是PC机。ZigBee终端采集节点1与ZigBee协调器2之间基于ZigBee无线网络进行无线数据传输；所述ZigBee协调器2与监控端3之间有线连接，优选的，二者通过USB转串口方式进行连接。

基于ZigBee通信技术进行数据的无线传输，通过组建网络平台，加入ZigBee网络节点，调用相关的函数(发送，接收)，就可以把我们所需的信息进行发送接收，完成数据的无线传输。

所述ZigBee终端采集节点1的数量可以是多个，分别与ZigBee协调器2连接，能够与ZigBee终端采集节点1进行点对点通信，组建ZigBee网络，并处理ZigBee终端采集节点1的加入和退出，负责把网络中的ZigBee终端采集节点1发送过来的水质传感数据传送到监控端3；同时，也能接收监控端3发送的操控指令，再无线传送至对应的ZigBee终端采集节点1执行相应的操作，实现对ZigBee终端采集节点1的传感器模块12的参数调控。

所述ZigBee终端采集节点1包括传感器模块12和ZigBee模块6；传感器模块12置于被检测水资源环境中，传感器模块12可以是溶氧传感器4或pH电极传感器5，或者是同时包含溶氧传感器4和pH电极传感器5，具体依据对水资源的检测需求进行配置。优选的，同时配置有溶氧传感器4和pH电极传感器5，可实现对水资源的酸碱度和溶氧量同时进行检测。

所述ZigBee模块6包括微处理器8和ZigBee无线射频模块7；所述传感器模块12与所述微处理器8连接，所述ZigBee终端采集节点1通过其ZigBee无线射频模块7与所述ZigBee协调器2基于ZigBee网络无线连接。

传感器模块12将采集到的水质传感数据发送至微处理器8进行初步处理后，经过ZigBee无线射频模块7经构建的ZigBee无线网络传送至ZigBee协调器2，然后再传送至监控端3进行显示。

如图2所示，在一具体实施方式中，所述ZigBee模块还包括A/D转换器9、天线11和存储器10；A/D转换器9和存储器10分别与微处理器8连接，天线11与所述ZigBee无线射频模块7连接。具体的，所述A/D转换器9用于对模拟的水质传感数据信号进行A/D转换，得到对应的数字信号，然后再经过微处理器8的一系列计算分析处理，得到实际的参数。所述存储器10用于为微处理器8一定量程序的编写提供可能，同时又能用于水质传感数据的存储，优选的，所述存储器10的存储容量为256KB。优选的，所述ZigBee模块6可以选用型号为CC2530的增强型单片机，其内部集成了增强型的51内核和ZigBee无线射频模块7，高集成度为整个检测系统的检测工作的完成提供了极大的便利，且具有一定的抗干扰能力，以及工作稳定，功耗低等优点。

在另一具体实施方式中，上述系统中的所述ZigBee终端采集节点1还包括DC电源模块13和蜂鸣器LED指示灯14。请参阅图7和图8，为DC电源模块13的电路原理图，通过所述DC电源模块13为ZigBee终端采集节点1内的各个结构组成模块供电，保证各模块稳定正常的工作。所述蜂鸣器LED指示灯14能够指ZigBee终端6包括入网成功与否等工作信息；优选的，ZigBee协调器2也配置有一LED指示灯，在ZigBee网络搭建过程中，可以通过LED指示信号来判断网络组建是否成功。具体组网操作为：在系统的Z-Stack框架下直接分别选择ZigBee协调器下载选项(Coordinator)和ZigBee终端下载选项(End-Device)，系统默认的是在线IAR仿真下载，方便起见，这里我直接选用PC机的USB5V供电口；将ZigBee协调器2和ZigBee终端6用USB转串口线分别连接并打开开关，可以看到ZigBee协调器2的LED3连续闪烁，而后熄灭，组网成功。随后ZigBee终端6的LED3也在连续闪烁后熄灭，这个信号表明连网成功；实际组网后D3熄灭，D1和D2亮。组网过程中ZigBee协调器2大致流程：上电、硬件初始化、协议栈初始化、打开全局中断、创建一个网络、进入无线监听状态、是否有节点申请加入网络信号、是给申请节点分配网络号。ZigBee终端节点大致流程：上电、硬件初始化、协议栈初始化、打开全局中断、申请加入网络、是否成功加入网络、是进入系统休眠、系统唤醒、用户操作、发送数据、是否发送成功、是进入休眠。我们所需要的是无线的数据传输，它实现的一般步骤就是先通过组网，搭建网络平台，这里涉及组网函数的添加，它保证了网络的成功建立和网络节点的参加；在网络组建成功之后开始发送/接收信息。只需通过添加无线的数据发送函数和无线的数据接收函数即可实现。

在另一具体实施方式中，上述系统中的所述传感器模块包括pH电极传感器5、溶氧传感器4、pH信号调理电路以及分压电路，所述pH电极传感器的输出端依次通过所述pH信号调理电路、分压电路与所述微处理器连接。所述pH电极传感器的工作原理如图3和图4所示。

由于pH电极传感器采集到的电信号比较地弱，为了确保测量结果的准确性和可靠性，需要一个pH信号调理电路对测得的信号进行调理，这对后期信号的处理和传输会有很大的帮助。图5和图6为调理电路的原理图，调理电路由电容C5、C6、C7、放大器U4、U5、U6、二极管D1、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22连接组成。

又因为CC2530增强型单片机的引脚最大耐压只有3.6V，pH信号调理电路仅需要3.3V；而pH电极传感器的输出经过放大后的最大电压可达6V，故采用分压的方式来解决，分压电路如图6所示，它由电感L1、电阻R23、R24、电容C8、C9、C10、C11、二极管D2、稳压管D3连接组成。

在一具体实施方式中，上述系统使用的无线网络数据通信协议采用的是Z-Stack协议栈，zigbee厂商提供了协议栈软件可以方便的使用zigbee协议栈。有了协议栈软件使得开发变得更加容易，而且是免费的。CC2530ZigBee模块的编译环境是在IAR开发环境，优选使用的是IAR8.10.1，使用IAR开发的优势在于可以直接使用芯片公司提供的协议栈Z-Stack进行编程，可以直接调用Z-Stack中的API函数进行编程。

综上所述，本实用新型提供的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，能够实现对水资源的水质传感数据进行实时、连续的检测，实现对水质参数和生态环境高效、智能的监控，同时又具有低成本、低功耗、高精度等特点；在农业、林业等领域都具有重大用途。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，包括依次连接的ZigBee终端采集节点、ZigBee协调器以及监控端；

所述ZigBee终端采集节点包括传感器模块和ZigBee模块；所述传感器模块包括溶氧传感器和/或pH电极传感器；所述ZigBee模块包括微处理器和ZigBee无线射频模块；所述传感器模块与所述微处理器连接，所述ZigBee无线射频模块与所述ZigBee协调器无线连接。

2.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee协调器与监控端串口连接。

3.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee模块还包括A/D转换器，所述A/D转换器与所述微处理器连接。

4.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee模块还包括天线，所述天线与所述ZigBee无线射频模块连接。

5.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee模块还包括存储器，所述存储器与所述微处理器连接。

6.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee终端采集节点还包括DC电源模块，所述DC电源模块分别与所述传感器模块和ZigBee模块连接。

7.如权利要求6所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述ZigBee终端采集节点还包括蜂鸣器LED指示灯，所述蜂鸣器LED指示灯分别与所述微处理器和DC电源模块连接。

8.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述传感器模块包括pH电极传感器、溶氧传感器以及pH信号调理电路，所述pH电极传感器的输出端通过所述pH信号调理电路与所述微处理器连接。

9.如权利要求8所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述传感器模块还包括分压电路，所述pH信号调理电路通过所述分压电路与所述微处理器连接。

10.如权利要求1-9任意一项所述的基于ZigBee无线技术的水质监测系统，其特征在于，所述监控端为PC端；所述ZigBee模块为CC2530集成单片机。