摘要：基于ZigBee的自來水水質監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器采集數據，用ZigBee網絡傳輸數據，通過無線網絡和USB基站長距離傳送到上位機。通過對自來水水質進行實時的監(jiān)控，存儲水質參數和數理統(tǒng)計，以及超閾值報警提示等功能。相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，能有效節(jié)省人工，且更能保證水質監(jiān)測的實時性，有效性，連貫性。

關鍵詞：Zigbee;水質監(jiān)測網;網關;serialPort

隨著我國經濟的高速發(fā)展，水質的污染和破壞問題日趨嚴重，著眼于社會所需，我們研究了基于ZigBee的水質監(jiān)測系統(tǒng)，為水質保駕護航。

水質污染問題刻不容緩，城市飲水主要是通過自來水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時監(jiān)測水質變化的設備系統(tǒng)。論文探討構建基于ZigBee技術的自來水監(jiān)測網絡物理結構，重點是ZigBee網關轉wifi和轉USB的協(xié)議轉換。上位機監(jiān)控功能中，實現了數據實時接收、顯示以及歷史數據查詢，對超閾值數據，報警提示。

1 物聯(lián)網ZigBee技術簡介

ZigBee技術具有自組網，低功耗，延時小，多跳的特點，適用于長時間組網監(jiān)測。在ZigBee網絡中有3種設備，協(xié)調器(Co_ordinator) 為全功能節(jié)點(FFD)，負責建立網絡，一個ZigBee網絡只能有一個協(xié)調器，相當于蜂群結構中的蜂后，當網路建立完成后，協(xié)調器的功能相當于普通路由器(Router)。路由器負責數據的路由跳轉，能夠將消息發(fā)給其他節(jié)點設備。終端節(jié)點(End device)負責數據的采集與發(fā)送。以上3種設備可以分為全功能節(jié)點(FFD)和半功能節(jié)點(RFD)。

每個節(jié)點具有兩個地址：

1)IEEE MAC地址

這是一種64位的地址，這個地址由IEEE組織進行分配，用于唯一的標識設備，全球沒有任何兩個設備具有相同的MAC地址。在ZigBee網絡中，有時也叫MAC地址為擴展地址。

2)16位短地址

16位短地址用于在本地網絡中標識設備，和在網絡中發(fā)送數據，所以如果是處于不同的網絡中有可能具有相同的短地址。當一個節(jié)點加入網絡的時候將由它的父節(jié)點給它分配短地址，協(xié)調器的短地址是0。

ZigBee網路的拓撲結構主要為星狀(star)，樹狀(Cluster_tree)，網格(mesh)，其中星狀網絡不支持ZigBee路由器。不同的網絡拓撲結構適用用于不同的使用環(huán)境。

2 系統(tǒng)體系結構

基于ZigBee的水質監(jiān)測系統(tǒng)可以對水質進行實時的監(jiān)控，整個系統(tǒng)由下位機監(jiān)測網和上位機軟件組成，下位機監(jiān)測網負責數據的采集，和數據在ZigBee網絡上的傳輸。上位機軟件負責對來自監(jiān)測網數據的存儲，數理統(tǒng)計，水質參數超標實時報警，和設備運行狀況的檢查。系統(tǒng)結構如圖1所示。

3 水質監(jiān)測網的下位機

下位機部分由一個ZigBee轉WiFi網關或一個ZigBee轉USB基站，2個PH采集節(jié)點，一個溫度采集節(jié)點組成。

所有節(jié)點內嵌ZigBee通訊模塊，在節(jié)點的通訊模塊中，燒寫了ZigBee協(xié)議棧的移植版，所有節(jié)點上電即進行自組網，進行數據的采集和傳輸。通過AT 命令來指定協(xié)調器，路由器，和終端節(jié)點，以及節(jié)點的相關參數。當掉電時，能進行參數的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的 cortex-M3內核。其具有出色的實時性能、優(yōu)越的功

效、高級的創(chuàng)新型的外設、最大的集成性。CPU工作頻率最高達到72 MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。

ZigBee通信具有通信穩(wěn)定的優(yōu)點。增加的無線功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問題，使得節(jié)點通信距離可以達到幾千米，最大限度的保證了通信的穩(wěn)定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節(jié)點接收和發(fā)送數據的流程圖。

在下位機與PC機的銜接部分，筆記本可以用WiFi網關或ZigBee轉USB基站來接收數據，對于臺式機可以直接用ZigBee轉USB基站來接收。

4 水質監(jiān)測網的上位機

上位機界面采用C#編程，開發(fā)工具為vs2012，數據庫為SOL Server。

4.1 WIFI網關接收模式

當啟用WIFI網關接受模式時，網絡協(xié)議采用TCP，相比UDP穩(wěn)定，用socket套接字來連接PC機與WIFI網關。

當上位機軟件啟動時，上位機首先創(chuàng)線thwatchport=new Thread(listening);用來監(jiān)視，WiFi網關是否與PC機相連，若沒有，則繼續(xù)監(jiān)聽。當連接完成時，軟件創(chuàng)建另一線程threcive=new Thread(autorecive)，用于接收WiFi網關發(fā)來的數據，并隨時將數據存入數據庫中。

由于第一個線程不斷循環(huán)查詢，當WiFi網關斷開，能保證WiFi網關重連時的成功，而不必重啟軟件。保證了系統(tǒng)的容錯率和健壯性。

偽代碼描敘如下：

運行結果圖：

4.2 ZigBee轉USB模式

對于臺式PC機，用WiFi網關接收模式固然可行，對于ZigBee網關與上位機物理距離較短時，還有另一種接收模式——ZigBee轉USB模模式。只要將USB一端插入臺式機的USB口，當上位機軟開啟時便可以接收數據。

USB接受方式的編程實現，采用的是serialPort控件，直接采用事件觸發(fā)的方式。

偽代碼描敘如下：

運行結果圖：

線程和事件觸發(fā)方式，和定時器定時接收方式相比，能保證數據的隨到隨收，無數據包遺漏現象。

對于數據的處理，可以按時間查詢，并將查詢到的數據進行普通的數理統(tǒng)計，如計算平均數，超標次數，并且能將數據查詢統(tǒng)計結果導出生成Excel文件，方便用戶進一步分析調研。

此外，上位機軟件具有良好的用戶界面，與異常處理，方便用戶操作與使用，接收界面使用動態(tài)GIF圖片制作，如圖2，第一個蘋果表示等待連接，第二個蘋果表示已連接成功，正在接收數據，當WIFI網關掉線時，第二個蘋果停止動態(tài)顯示，方便用戶動態(tài)感覺數據接收正在進行，當數值超標時，或設備電壓不足時，軟件亦能及時彈出報警窗口。

5 結論

基于ZigBee的自來水監(jiān)測網能有效對自來水水質進行實時監(jiān)測，設計實現了系統(tǒng)的網絡結構，完成了傳感器數據采集、傳輸、查詢顯示以及報警等系統(tǒng)功能。通過網絡傳輸傳感器的數據采用兩種方式：WiFi網關的socket方式和ZigBee轉USB的serialPort方式。兩種方式都能實現數據的實時傳輸的實時接收，基于線程的socket，使用了線程輪轉循環(huán)的方式，能有效防止WiFi網關掉線，并提醒用戶。此時接收線程 threcieve終止，監(jiān)聽線程thwatchport依舊循環(huán)，等待WiFi網關重新連接。

下一階段工作的重點，圍繞完善系統(tǒng)功能和擴展系統(tǒng)應用展開：

對于下位機網絡，采集節(jié)點數目不夠多，參數種類也不夠豐富。在PANID，信道，和數據包一致的情況下，可以不斷加入新的節(jié)點，增加下位機網絡的功能。

對于數據傳輸，利用GPRS網，通過GPRS短信直接通知水質超標等情況，亦可以將ZigBee網絡轉為3G或4G網絡，使數據傳輸的方式變得靈活多樣。

在上位機功能部分，豐富數據查詢統(tǒng)計方式，添加系統(tǒng)日志管理，改進異常情況的友好提示等。豐富客戶端的操作平臺，延伸至Web方式，以及基于移動終端的App應用。對

于已經采集的數據，可以進行數據挖掘，和大數據運算，研究當地經濟，生活的狀態(tài)。