一种带姿态检测的水域水质检测自组织节点设计

　　方愿捷1，常梦云2，张飞1
　　（1.巢湖学院 机械与电子工程学院 安徽 合肥 238000；2.国家电网安徽淮南市潘集区供电有限责任公司，安徽 淮南 232000）

       摘要：无线自组网系统有着较强的鲁棒性，但对于一个节点来说，节点容易消亡。针对水域特定检测环境，利用ZigBee、GPRS以及姿态检测技术，设计了一种带姿态检测的水域水质检测的自组织节点，利用MEMS陀螺仪增强节点对自身的环境的感知能力，并通过差速电机驱动模块微调能力增强节点的稳定性，实现了带姿态检测的水域水质检测节点。
　　关键词：水质监测；自组织；姿态检测；MEMS陀螺仪　　

0引言
　　随着无线自组织技术的迅速发展，无线自组织网络作为一种集成了传感器、无线通信和自动化技术的交叉学科已经得到广泛的关注。因其布网方便、鲁棒性强等特点，自组织网络在大型湖域、海域、森林等都有广泛应用［13］。虽然整个系统具备较强的鲁棒性，但是对于每个节点，都会受到各种恶劣环境的影响，不可避免地会造成部分节点死亡。这种情况出现会造成不可避免的经济损失。对无线自组网节点也需要进行设计。针对大型湖域、水域等检测节点，容易受到风浪影响，检测节点容易被损毁。
　　自平衡技术已经在多个领域获得应用，自平衡小车技术已经很成熟［46］。在无线自组网的水域检测系统中，自平衡检测节点将增强节点的适应能力以及对抗恶劣环境的能力。
1自平衡水域检测节点设计
　　水域水质关系到居民用水安全，鉴于水域的不同划分，无线自组织网有不同的层次结构：平面和分级。根据水域的特殊性，选用分级结构，分级结构图

　　如图1所示。分级结构应包括：簇内节点、网关节点和簇头节点。3类节点各自担任的角色不同，但是在该系统中，3种节点的设计应是相同的。
　　

如图2所示，系统节点采用STM32作为主控处理器，搭载PH传感器、温度传感器、ZigBee模块、MEMS陀螺仪、GPRS模块、电机驱动模块并配以显示和报警模块。簇内节点的传感器通过采集温度数据、PH数据，通过ZigBee模块发送数据至簇头节点，簇头节点通过压缩算法，将数据压缩打包后远传至终端。
　　MEMS陀螺仪对小船姿态进行检测，当节点受到外界环境影响姿态发生变化时，容易造成倾覆，此时节点的两台电机会进行微调，提高整个系统稳定性。两个电机也可以实现节点的运动，接受远程终端指令，实现节点的能控，可以更好地调整水域内节点的分布。
2水质数据处理单元设计
　　PH值、水温度等因素是表征水质的重要特征，水质数据处理单元包括传感器数据采集模块、无线发送模块及数据远传模块等主要模块。
　　节点中的水质采集单元里的温度传感器使用DS18B20数字式传感器，PH传感器与STM32的AD 模块相连，直接将转换的电压信号转换为数字量输入到STM32处理器中。
　　水质检测系统采用ZigBee进行组网，ZigBee模块是以CC2430为核心的模块，CC2430与STM32的复用引脚的UART实现串行通信，STM32将检测的数据经过UART模块的发送引脚发送至ZigBee模块，在移位处理器中将数据逐位发送出去，ZigBee在接收到数据后通过无线网络传送到下一个节点。
　　水质数据远传模块使用SIM900A，SIM900A是一个GSM/GPRS通信模块，该模块与处理器通信采用串行异步通信即UART通信，使用模块时，只需给SIM900A提供一个+5 V电源，将其串行通信接口与STM32的另一个串行口相连，STM32的双串行接口使得GPRS模块与ZigBee模块可以并行工作互不影响，资源得到充分利用。
3节点姿态检测单元设计
　　MEMS陀螺仪作为姿态检测单元已经广泛地应用于自平衡小车和飞行器中，成为小车、飞行器增模块［46］。
　　MPU6050六轴传感器模块采用高精度陀螺加速计，传感器模块可以对x、y、z方向的加速度进行测量，通过姿态矩阵解算器，配合动态卡尔曼滤波器，将加速度信号进行数据融合，输出载体姿态角。其姿态解算过程如图3所示。
　　

　　姿态解算模块通过I2C与STM32串口相连，STM32通过串口访问MPU6050获得载体在x、y、z轴上的姿态角α、β、γ。输出的加速信号和计算解得的角度信号如图4所示［79］。
　　

4节点结构及动力单元设计
　　系统节点具备自组织能力，当节点死亡的时候，邻近的节点能够补上，需要对节点具有能动性，因此对节点应具备微调能力，节点添加电机驱动模块能够实现节点的驱动，节点采用两个电机差速工作。
　　承载结构主要材质为聚苯乙烯板，聚苯乙烯有着质量轻，价格低廉的优势，该船体有着双层防水层，可以很好地隔开水汽对电路的干扰，即使最下层破裂也能漂浮在水面上，提高节点工作的稳定性。船体结构的外形设计如图5所示。
　　

　　电机驱动采用的L9110控制驱动芯片是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，双通道能驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750~800 mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5~2.0 A，使它在驱动直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。驱动电路如图6所示。
　　

　　MEMS陀螺仪进行姿态检测，如果节点有向某一轴向倾覆的趋势，反方向的LG9110驱动电路将输出PWM波，驱使一边的差速电机独立工作，平复小船倾覆趋势。
5实验测试
　　各节点应将数据发送到簇头节点，簇头节点将数据进行汇总，汇总后将数据进行打包发送。在测试时，为了验证正确性，数据将在簇头节点上进行汇总显示，并与接收到的数据进行对比调试。图7展示了调试的画面，上面的电路板为簇头节点，下面的电路板为对等节点1，可以观察到对等节点1检测出温度数据为19.8℃，PH值为7.62，经过ZigBee模块发送到簇头节点后汇总，簇头节点显示出当前A、B、C、D 4个节点当时的PH值，汇总的节点数据如表1所示。
　　

　　测试过程中，将节点3的传感器探头放在PH大约为2的酸性溶液中，显示出测量的节点数据如图8所示，测得PH值为2.41，温度为20.8℃。
　　

6结论
　　本文设计了带姿态检测的水域水质检测自组织节点在对无线自组织网络和水质检测的方法深入研究的基础上，围绕着节点，设计了由SIM900A和CC2430组成的无线传感网络，节点在无线传输、数据远传中都得到较好的应用。节点自带姿态检测，增强了节点抗扰动能力，为节点自平衡提供了可能。后续工作中可以将数据融合、节点的自平衡能力作为研究方向，使其可以具备更强的抵抗自然灾害的能力，提高系统的稳定性。
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