摘要：ZigBee广泛应用于各种工作领域，具有功耗低、成本低、延迟短、安全性高、自组网等优点。本文设置CC2530是通信芯片，STMF以主控芯片为系统的硬件电路和软件部分，将电导率模块，pH模块和DS18B20温度模块的信息传输到上位机ZigBee自组网可以在上位机上读取不同水位的水信息。实验结果表明，本文生产的水质监测具有功耗低、实时性高等优点。
关键词：ZigBee；水质监测；自组网
Abstract: ZigBee is widely used in various fields due to its advantages such as low power consumption, low cost, short time delay, high security and AD hoc network. In this paper, CC2530 is used as the communication chip and STMF103 as the main control chip as the hardware circuit and software part of the system. The information of conductivity module, pH module and DS18B20 temperature module is transmitted to the upper computer, and ZigBee AD hoc network can be used to read the information of water bodies at different positions in a sea area on the upper computer. The experimental results show that the water quality monitoring produced in this paper has the advantages of low power consumption and high real-time performance.
Key words: ZigBee; Water quality monitoring; Ad-hoc network
对于大水域不同区域的温度，pH为了获取水体的综合信息，需要机器收集和上传水体各区域的水质信息。对于室外水产养殖，环境复杂多变，设备需要长时间在水中工作，这就要求设备具有较高的耐久性。同时，为了保证水信息的实时性，多台机器往往需要协同工作[1、2]。本文旨在解决设备的续航里程和高成本问题ZigBee作为无线通信技术，STM以电导率模块为主控芯片，pH模块和DS18B20温度模块采集的水质信息传输到终端ZigBee自组网可以在上位机上读取海域不同位置的水信息[3、4]。
为了检测和上传水域pH、采用雷磁pH复合电极E-201-C作为pH计，再通过4502AC放大信号，放大信号pH将值转化为模拟电压传输给单片机。采用温度检测DS18B20不锈钢包装模块。电导率检测采用0-44000的量程μs/cm的EC变送器。ZigBee采用DL-LN32P该模块内部包装了通信协议，单片机通过串口发送即可发生数据。
STM32F103ZET6作为MCU，读取每个模块的信息并通过ZigBee发生数据。
图1 硬件部件
液体的pH该值取决于液体中氢离子的浓度。通过测量电极系统中由测量液体组成的测量电池的电势，可以获得测量液体中氢离子的活性。从传感器电极系统中获得的电压信号与氢离子的活性相对应。根据能斯特方程，当电极反应中的物质从一相转移到另一相时，表达式为：
E=E0-S×pH (1)
其中S=RT/nF=54.20 0.1984×t理论斜率项；气体常数R=8.14焦耳/摩×克分子；法拉第常数F=96500库/摩；N对于离子化合价，氢离子n=1；T=273.15；t被测液体的摄氏温度，E0是等电势点的点，E即被测液体作用下传感器电极的输出电位。
由于玻璃电极的制造工艺等原因，类型(1)E0和S的实际值会发生变化，上述参数需要通过已知的标准液进行测量。苯二甲酸氢钾常用标准液(pH=4.01)、硼砂(pH=9.与磷酸盐混合(pH=6.86)根据被测液体的pH值，适当选择两种标准溶液。当被测液体呈酸性时，选择pH=4.01和pH6.86标准溶液校正；当被测液体呈碱性时，选择pH=6.86和pH=9.校正18标准溶液；当被测液体时pH当使用范围较大或不确定时，可选择pH=4.01和pH=9.校正标准溶液[6、7]。雷磁pH复合电极E-201-C具体校正方法如下：
将电极与磷酸盐混合(pH=6.86)在溶液中，用电压表模拟输出电压，调整输出板上的电位器，使输出电压为1.7V。然后用蒸馏水清洗电极，玻璃电极上没有水滴，放入苯二甲酸氢钾(pH=4.输出电压记录在标准溶液中。重复上述步骤，得出硼砂(pH=9.18)标准溶液的输出电压。由式(1)可知模拟电压U与pH线性方程可设置为线性关系：
pH=a×U b (2)
将获得的数据带入并获得pH与雷磁pH复合电极E-201-C模块输出电压关系。
软件部分是DS18B读取20温度数据，pH模块和电导率模块AD采样和转换，ZigBee数据发送、上位机读取ZigBee图2是软件设计的总体流程，如数据等。完成所有初始化工作后，需要先阅读DS18B因为DS18B20的读取时间大于50ms，因此，读取数据的频率不宜过高。为了数据的准确性，每2000设置一次ms读取一次数据，共读取5次，并将平均值作为最终数据发送到上位机显示。
图2 软件设计流程图
pH模块和电导率模块输出模拟电压，需要通过STM32的ADC将其转换为数字信息，读取的数据为0~4096范围。pH模块需要软件把ADC数值归一化为0~3.3V后作为电压带入式(2)。由于电导率模块的输出模拟电压与电导率成正比，只需将转换后的值归为0~44ms/cm即可[8]。但由于公式(2)中的参数a和b它们都受温度的影响，所以最终会得到pH值需要进行温度补偿，由式(2)可知，最终温度补偿后的pH需要乘以T0/T(T找方程时的液体温度，T当前液体温度)。
DL-LN23P ZigBee通信协议集成在模块内，可以通过串口向其发送数据包。通过主控芯片的软件USART1外设对ZigBee为了准确地传输数据，设置通信USAR中断优先级为0。需要上位机发送FE05 90 90 XX XX FF(XX XX目的设备地址)获得某个设备地址ZigBee[9、10]设备信息。
当上位机工作时，收集并显示串口数据。图3为上位机的初始界面。在发送按钮左侧的方框中输入串口和波特率FE 05 90 90 03 00 00 FF，选择10000自动采样周期ms。电导率、pH温度右侧分布有两个小方框，上下分别为最大值和最小值，大于最大值或小于最小值。自动采样后，上位机会自动绘制图表。
图3 上位机的初始界面
系统基于ZigBee水质信息(电导率，pH为了检测水温以检测pH准确的水温和电子的水温pH对比计数。本文建立了。ZigBee基于生产的水质系统测试平台ZigBee软硬件调试采用通信远程水质监测系统。
将地址为0001的ZigBee模块通过USB接入计算机，打开上位机，设置具体参数，然后点击自动采样。如图4所示，上位机在酸性条件下实时曲线，上位机在酸性条件下显示数据。通过STM32单片机的定时器计延迟约为50ms，在接收到的数据上或下设置报警参数，观察旁边是否有小感叹号显示和报警声。因为数据先压缩为0~在255范围内，由上位机解码，因此数据会偏离下位机的数据，误差精度为0.01。
图4 酸性条件下上位机实时曲线
表1 上位机在酸性条件下显示数据
本文搭建了ZigBee水质检测试验平台，水质检测及通过ZigBee软硬件试验采用模块和上位机通信pH本文设计的硬件和软件部示，验证了本文设计的硬件和软件部件能够正常稳定工作。同时，通过测试不同的温度pH等待液体和电子pH计在上位机中进行比较和显示，并显示延迟为300ms内部证明了基础ZigBee可行性、短延迟性和可靠性。
广东海洋大学创新强校项目(Q14580)(CXXL2019262; CXXL2019268)
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林 聪(1988-)，男，广东湛江人，讲师，现任教于广东海洋大学，研究方向为智能控制与智能自动化。
于 跃(1991-)，女，吉林通化人，讲师，现任教于广东海洋大学，主要研究方向为电力电子技术、智能控制技术。
卢叶枫(1997-)，男，广东怀集人，现就读于广东海洋大学，研究方向为嵌入式技术。
肖贤哲(1999-)，女，广东广州人，现就读于广东海洋大学，研究方向为嵌入式技术。
摘自《自动化博览》2020年1月刊