优选水环境监测传感器系统设计

安徽城市管理职业学院 王富罗

广东工业大学计算机学院 陈 龙

温州市鹿城区中津先进科技研究院 王 勇

瑞晟微电子（苏州）有限公司 李 涛

优选水环境监测传感器系统设计

安徽城市管理职业学院 王富罗

广东工业大学计算机学院 陈 龙

温州市鹿城区中津先进科技研究院 王 勇

瑞晟微电子（苏州）有限公司 李 涛

为满足室外水体环境的实时环保监测需求，提出一种优选的水环境监测传感器系统设计方案。以pH传感器、溶解氧传感器及透明度传感器作为监测系统的输入端口，分别监测被测水体的pH、溶解氧以及透明度，所检测到的信号发送到无线网关节点，并通过无线网关的发送天线，经过移动网络传送到远程服务器，实现被测水体环境的实时智能化监测。

水环境；传感器；智能化监测；系统设计

越来越多的系统[1][2]采用无线传感器网络来节约成本、实现实时智能、高可靠监测管理。

1 系统总体方案设计

该系统由环境监测传感器组（包括pH、溶解氧、透明度）、传感器底座、电源控制模块、网关等4大模块组成。传感器底座是整个系统的核心，负责连接传感器组以及发射天线，并实现对接收到的无线控制信号的响应和对传感器组的控制。

2 系统硬件设计

2.1 传感器组模块

对于水环境监测传感器，现有的测试指标往往只关注pH、亚硝酸根例子浓度、COD浓度等指标当中的一个或者多个，在选取监测指标时往往具有随意性。而亚硝酸根离子浓度易于被环境当中的氧化剂经化学氧化反应，转换成无毒的硝酸根离子，不一定适合重点监测。此外，COD浓度往往需要依靠专门的实验室进行化验分析，不适合于用于水体环境实时监测。为此，我们优选pH、溶解氧、透明度作为水体环境监 测的指标，并将相应的传感器组成传感器组用于监测水质。

2.1.1 pH传感器

本系统中的PH值传感器采用了E201-9型pH电极。该电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳不可充式复合电极，用于测量水溶液中的氢离子活度。使用该电极制作的PH值传感器具备以下本系统的要求：电极具有稳定的液接界；电极不易污染，堵塞，使用寿命长；参比系统采用高分子聚合物填充，使用方便，无须补充电解液；电极响应灵敏（数秒）稳定性好，抗干扰性能强；测量范围0～14ph；耐压力0.6MPa；电极适用于各种低电导率的场合。根据被测溶液的酸碱度不同，pH符合电极产生不同的直流电位，这样就可以将酸碱度转化为电信号进行采集。

2.1.2 溶解氧传感器

溶氧度是水质监测的重要指标，也是衡量水质的综合指标。本系统中的溶氧度传感器采用了极谱型溶氧传感器，采用Clark极谱电池技术，由金阴极、银阳极和银参考电极组成三传感器系统。对银参考传感器采用恒定的电压进行极化，起到了稳定测量值的作用，避免了传统两传感器系统的干扰，并有效降低了测量中的漂移。针对极谱型溶氧度传感器，我们设计电压信号三级放大电路。每个LM324都有4路放大电路。我们通过调整电阻R4/R5的比例关系控制第一级放大电路的放大倍数。通过调节电阻R8/R9的比例关系控制第二级放大倍数。通过调节电阻R10/R11来控制第三级放大倍数。通过多级放大，可以检测本套系统中溶氧度传感器两极微弱的电压差，提高溶氧度传感器的检测精度。

2.1.3 透明度传感器

采用激光发射电路来检测水质的透明度。一端作为发射极，另一端作为接收极，以接收极为传感器感应的一端，通过放大电路，将接收级的微弱的电压差放大到一定倍数，然后采用ZigBee通信模块上集成的AD采集功能。我们为此设计电阻型放大电路，使用两级放大，倍率约14倍。

2.2 电源控制模块

在初始测试中，传感器节点采用5V电源供电，在后期的实际应用中采用手机电池供电。为此，我们在电源接口处设计了手机电池卡槽以及为方便测试焊接的导引线。该模块采用MIC2026模块为该电路板提供5V和3.3V供电。主要是为3.3V供电。在Zigbee模块工作的情况下，如果使能引脚ENA，即置PTA1为高电平，OUTA 输出VCC为5V。如果使能ENB，即置Zigbee的PTA2引脚为高电平，OUTB输出5V，Vin为5V再通过后面的电源转换芯片AMS1117-3.3将Vin转化为3.3V。该电路的每路通道最大500mA,但目标板需要的电流比较大时，可以使用PS-R1将两路输出通道合并。要实现以上功能，就必须将PTA1和PTA2引脚同时使能。在此块电路板中还需要产生负电压。该节点模块采用ME7660芯片将VCC转换为负电压。

2.3 传感器底座

包括测试底座板和无线通信子模块两部分。通信子模块采用MC13213芯片，该芯片将GB60和Zigbee模块集成在一起，效率更高。该模块单独封装为一个成熟模块，将串口和其他一些接口留出来和数据收发处理模块相接。底座板细分为传感器模块、串口发送模块和调试模块。传感器模块提供了上述传感器组的挂载接口，串口发送模块用于连接无线通信模块，即数据收发天线。调试模块用于程序的烧写和调试。

2.4 网关节点

本设计GPRS/3G网关的主控模块采用了MCF52223芯片。GPRS模块硬件分为SIM接口和EM310模块。GPRS/3G网关的ZigBee主体模块和无线传感器节点一样，均是采用了ZigBee平台MC13213。为保障防水性能，采用一个卡扣的塑料盒子。该盒子自身是具有防水性能的，但是我们需要将传感器引出来，所以必须将这个盒子打个洞。所以在该洞处采用了橡皮式的防水接口进行封闭。在天线设计上，由于考虑到在上面打洞会比较困难，所以本设计将传感器和天线的洞口进行公用。

3 结语

采用MC13213芯片、EM310芯片、多级放大电路设计，实现了对水体环境导致电信号变化的及时检测，并通过节点收发天线将数据通过网关上传到远程服务器，实现了监测的智能化。采用地址编码，只需增加部署的节点的编号，以及分管网关节点的数目，系统将可以方便的扩展，对于当今环保监测具有现实意义。

[1]Long Chen,Liusheng Huang,Weijie Guo,et al.,Design and Implementation of a Testbed for WSNs Monitoring Aquatic Environment[C].WOCC 2013,Chongqing,China.

[2]D.Johnson,T.Stack,R.Fish,D.M.Flicking,L.Stoller,R.Ricci,and J.Lepreau,Mobile emulab:A robotic wireless and sensor network testbed,in Proceedings of the 25th Conference on Computer Communications[C].April 2006.