基于CC2530的水环境监测系统设计

朱 娟，吴学军



基于CC2530的水环境监测系统设计

朱 娟，吴学军

(湖北文理学院 物理与电子信息工程学院，湖北 襄阳 441053)

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，文章设计了一种基于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，中心管理人员可利用监控平台方便观察水质状况，及时采取应对措施. 通过在汉江流域湖北襄阳市一桥至二桥段布置50个传感器节点和10个中心节点对其水质进行监测，监测结果表明该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.

Zigbee；CC2530；水环境监测

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，因此本文设计了一种基于CC2530的水环境监测系统，以实现大范围水域的实时监测.

1 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，监控中心管理人员通过监控平台对水质状况进行实时监测，若遇警情，可在第一时间采取应对措施，保障居民用水安全.

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 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2400~2483.6MHZ，支持数据传输高达250Kb/s，CC2530集成RF收发器、增强工业标注的8051MCU，可编程Flash存储器、8KB RAM. 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，本系统选择CC2530F256、256KB Flash存储器．CC2530 比较适合需要低功耗的系统，以非常低的材料成本建立的网络节点，实现多点对多点的快速组网，是一个用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE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，在程序设计时，可调用函数来控制传感器节点的休眠与唤醒.

CC2530节点硬件电路如图3所示，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1μF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，天线采用印制弯折倒F型天线，具有尺寸小、剖面低、成本低等特点[2].

图3 CC2530硬件电路图

2.2 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16/32位S3C2410系统微处理器，具有丰富的接口资源、足够的内存空间. 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，软硬件看门狗设计，保证系统稳定，采用5V~35V 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，支持串口软件升级和远程维护.

3 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4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，以便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4 系统软件流程图

4 实验测试

实验中对汉江水域湖北襄阳市一桥至二桥段的水质进行监测，现场布置50个传感器节点和10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5所示.

图5 实验结果

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.

5 结语

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，能够实现水环境多种参数的实时采集和可靠传输，实现广域监测，部署和维护成本低，组网方便，可通过增加网关节点来扩大子网数量.

[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, 等. 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): 65-67.

[4] CUI LINLIN, LIU YUDE, SHI WENTIAN, et al. Research on Data Transmission Based on CC2530 of ZigBee[C]// Northeastern University, Intelligent Information Technology Application Research Association. 2010 4th International Conference on Intelligent Information Technology Application. [2013-09-10]. http://wenku.baidu.com/view/b71ff019f18583d049645935.html

[5] 蔡利婷, 陈平华, 罗 彬, 等. 基于CC2530的zigbee数据采集系统设计[J]. 计算机技术与展望, 2012(11): 197-200.

Design of Water Environment Monitoring System Based on CC2530

ZHU Juan, WU Xuejun

(School of Physics and Electronic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China)

It’s difficult for traditional cable water environment monitoring system to arrange of wire, with high cost and restricted scope. It 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 via sensor nodes which distribute in the monitored water area. The data is transmited to center node by zigbee wireless network,then to the remote data management center through CDMA module, and the managers of center can observe the quality of water conveniently by monitoring platform, and take some corresponding measures in time. 50 sensor nodes and 10 center nodes are arranged between Bridge 1 and Bridge 2 of Hanjiang River which can monitor water quality. The result shows that this system can realize real-time data acquisition of a variety of water environment parameters and reliable transmission.All kinds of real time parameters can be acquired easily through monitoring center.

Zigbee; CC2530; Water environment monitoring

2013-10-28；

2013-12-04

湖北省教育厅科研项目(B20122504)

朱 娟(1984— ), 女, 湖北襄阳人, 湖北文理学院物理与电子信息工程学院助教.

TP212.9

A

2095-4476(2014)02-0023-04

(责任编辑：饶 超)