江西鄱阳湖水质检测的无线传感网络设计策略

      江西境内的鄱阳湖是中国第一大淡水湖，也是全国水质最好的湖泊之一，流域面积16.22万平方公里。但近年来，鄱阳湖水质也呈下降趋势。江西省水环境监测部门监测显示，2002年鄱阳湖水质Ⅲ类水以上的比例占99.7%，而2006年下降到82.1%，呈逐年下降趋势。
　　由于鄱阳湖水域宽阔，包括赣江（外洲站）、抚河（李家渡站）、信江（梅港站）、昌江（渡峰坑站）、乐安河（石镇街站）、修河（永修站）、西河（石门街站）及博阳河（梓坊站）等区域，目前采用的水质检测方法为派人到各区域取水样，然后放在专门的实验室检测。这样不能实现对湖水连续检测，而且效率不高。本文提出了水质自动检测的无线传感网络设计方案，可以实现对水质的自动检测，而且检测的数据可以通过GPRS网络发送到环保部门指定的接收点的计算机，利用该处计算机的软件对检测的数据实时显示，并通过Internet网络实现数据共享，实现数据多级管理。

1 系统总体结构
　　水质无线传感器网络检测系统采用两级体系 ,一级为环保部门指定的接收水质检测数据的计算机（上位机）,二级为水域的水质监测站。上位机负责监视、管理和控制水质监测站;水质监测站负责水质数据的采集和数据传送工作。上位机和水质监测站之间采用GPRS无线传输方式进行数据通信。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络,上位机配置固定的 IP 地址，各水质数据采集点使用移动通信公司统一的 SIM 卡,同时在上位机中利用编写的系统数据库保存相关水质参数数据，对信息进行统计处理，产生各种报表输出,支持24小时实时在线,实现信息采集点每隔20 min传送采集的水质信息数据,并可以将数据进行图形化显示，实现水质数据的地图化、可视化。单点检测点与上位机系统组成结构如图1 所示。

2 硬件设计
2.1 CPU模块设计
　　鄱阳湖的水质保护的重要性对水质检测提出了速度快 、测量准确的高要求。CPU是整个水质检测的“心脏”和 “大脑”。作为整个系统的中枢，接受所有来自水质传感器的信号和数据，并对各个数据进行处理，最终发送给GPRS模块。采用高性能的CPU芯片可以使水质检测的工作效率大大提高。本设计采用了一款三星公司的ARM 内核芯片S3C44B0, 其工作效率是普通8位单片机的 4~5倍 ,非常适合于水质参数的处理。S3C44B0是基于ARM7TDMI-S内核的一款CPU，32位宽度的存储器接口和独特的加速结构使代码能够在最大时钟速率下运行。从整体性能看，采用S3C44B0芯片设计的原因在于其速度快、调试方便、运行稳定。S3C44B0与其他外部设备连接信号线如图2所示。

2.2 水质传感单元设计
　　水质的好坏由pH值、浑浊度等参数决定，其中pH值为十分重要的参数，pH计电路如图3所示。

 

  这个pH计电路的核心为接在超低电流放大器输入端廉价的银质或氯化银质的探头。从pH计探头输出的信号的典型阻抗为10～1 000 MΩ，因为阻抗高所以放大器的输入电流特别小，这一点是非常重要的。V1为LMC6001放大器，输入电流小于25 fA,这正是pH计所需要的理想元件。标准的银质或氯化银质的探头在25 ℃室温下理论输出电压是59.16 mV/pH,而在pH值为7时输出电压为0 V，超低输入电流放大器LM6001放大探头输出的信号使之相对于pH值为7时能够达到+/-100 mV/pH。pH计的整体增益可以通过可调电位器R2调节。V2为微功耗放大器LMC6041提供反向偏置，使得在探头的整个测量范围内输出电压与pH值保持线性关系。
2.3 GPRS单元设计
　　GPRS是无线传感网络中的“无线”传输部分，系统采用的GPRS模块是WAVECOM公司的WISMOQ2403，该模块功能完善、性能稳定、体积小、非常适合用于嵌入式应用。
　　其电路设计如图4所示，该模块大部分引脚可以不必接，只需要注意SIM卡信号和串口信号，只要这两部分电路接好，GPRS硬件模块就可以正常工作了。

 

 

3 软件设计
　　在线水质监测系统软件的两大部分：下位机程序和上位机程序。设计流程分别如图5(a)和图5(b)所示。

 

4 系统实验结果
　　图6为下位机CPU最小系统测试时晶振振荡图，图6(a)为主晶振振荡图，振荡的频率为10 MHz，图6(b)为RTC振荡图，振荡的频率为32.76 kHz。主晶振开始振荡，证明CPU的最小系统已经开始工作，RTC主要是为定时模块提供时钟信号。

 

　　图7为pH值显示图，可以实时显示当前的pH的情况。环保监控人员不仅可以实时看到数据，而且已经可以把数据图像化处理，显得更加直观。