摘 要： 針對垃圾填埋場防滲襯層的漏洞檢測問題，設計了一種基于ZigBee的填埋場滲漏檢測傳感器，并對傳感器的硬件結構和軟件設計分別作了詳細的介紹。該傳感器將所采集到的漏洞信息通過ZigBee無線網絡發送至上位機，由上位機對相關信息進行處理。
關鍵詞： 滲漏檢測；ZigBee；傳感器
利用坑洼地填埋城市垃圾是目前大多數城市的垃圾處理方式[1]。采用填埋處理要考慮的一個極其重要的問題是對周邊環境的影響，要防止廢物的溶液濾瀝以及雨水徑流對水源的污染，因此填埋場的防滲襯層系統是必不可少的設施。研究調查表明，在施工中由于機械的或人為的不規范操作會致使防滲層破損，在運營時由于地基不均勻下陷、縮性形變、化學腐蝕等都會引起防滲層滲漏。如果漏洞不能及時發現并修補，垃圾滲濾液將會透過孔隙進入地下水和土壤，對環境造成嚴重的影響。因此垃圾填埋場的滲漏檢測是一個極其重要的環節。
ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線網絡技術，是由ZigBee聯盟制定的低成本、小體積、低功耗無線通信技術。它功耗低、延時短、安全性強、節點容量高，且工作在免執照頻段2.4 GHz，無需網絡租用費用。應用ZigBee技術實現垃圾填埋場的滲漏檢測系統組網簡單、成本低廉。
本文基于ZigBee技術設計了一款應用于垃圾填埋場的滲漏檢測傳感器，該傳感器能夠準確監測填埋場的防滲層狀況，及時發現漏洞，并將漏洞的地理位置信息通過ZigBee無線網絡發送至上位機。該傳感器是個高精度的獨立模塊，具備防水功能，體積小巧，即插即用，便于系統的擴展和維護，能夠解決垃圾填埋場的漏洞檢測問題，對于垃圾填埋場的建設和維護具有極其重要的意義。
1 系統綜述
該漏洞檢測系統由傳感器模塊和上位機兩部分組成。傳感器模塊位于各個監測點，監測填埋場的環境信息，同時將環境信息和地理位置信息通過ZigBee無線網絡發送至上位機，上位機接收并處理來自傳感器的數據，并人為地采取相應的措施。同時，上位機可以根據要求控制傳感器的工作狀況。本文著重講述傳感器模塊的設計。該漏洞檢測系統的結構框圖如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 傳感器功能
該傳感器的具體功能是：及時采集環境數據，把采集到的數據和地理位置信息經過ZigBee無線網絡發送至上位機；同時可接收來自上位機的命令，如設定時鐘、采樣時間間隔、監測傳感器電池電量等；監測并控制傳感器的工作狀態。
2.2 傳感器結構
傳感器由電源模塊、數據采集模塊、微控制器和ZigBee模塊四部分組成[2]，硬件結構如圖2所示。系統采集到的信號經數據采集模塊處理后，得到目標信號，目標信號經微控制器處理后，通過串口傳送至ZigBee模塊，再由ZigBee模塊IP-LINK經ZigBee無線網絡發送至上位機。
如圖2所示，電源模塊包括供電、充電和電量監測三個部分。電源由鋰電池進行供電。供電部分為整個系統提供穩定的3.3 V電壓，該部分包含過流保護，當電池輸出電流超過安全范圍時 ，電路將自動切斷；充電部分可為鋰電池進行充電，在充電的同時也為傳感器提供穩定的工作電壓；電量監測部分可及時監測鋰電池電量，以保證傳感器工作的正常進行。
數據采集模塊負責監控區域內的數據采集，該模塊由差分放大器和濾波器組成。由于目標信號中混雜著大量的干擾信號（干擾信號主要為大地噪音），因此在目標信號進入單片機之前，要對其進行濾波。差分放大器首先對目標信號進行初步的提純，濾掉其中的共模信號，在過濾后的信號中，主要存在的噪聲即50 Hz的大地噪音，因此只需濾除大地噪聲即可。在本設計中，選用的濾波器是五階的低通巴特沃斯濾波器，經過現場實驗，將濾波器的截止頻率設為3 Hz，便可保留目標信號，并且完全濾除大地噪聲。
微處理器對濾波后的信號進行A/D轉換并處理所得數據。本設計所選的微處理器是宏晶公司生產的STC5608AD，該單片機自帶A/D轉換功能，它的電壓轉換范圍是0～Vcc，然而隨著鋰電池電量的消耗，其輸出電壓Vcc會出現波動，因此A/D轉換的精度受到了一定的影響。為解決這一問題，本設計引進了精密基準源。通過讀取精密基準源的信息，計算出當前Vcc的精確值，即可得到精確的轉換結果。
ZigBee模塊選用赫立訊公司生產的IP-LINK1223-5142，它負責傳感器與上位機之間的無線通信。一方面，傳感器通過ZigBee無線網絡向上位機申請時鐘、發送數據等；另一方面，上位機可通過ZigBee無線網絡向傳感器發送命令，如設定采樣間隔時間、監測電池電壓、檢查單片機和電源的工作狀態等。
2.3 傳感器主要元件的芯片選擇
由于垃圾填埋場的特殊環境，對于傳感器也有特殊的要求：傳感器要有高的精確度，電源要有強大的續航能力，而且傳感器要適應垃圾填埋場的惡劣環境。因此，選擇合適的芯片是本設計的一個重要環節。
傳感器采用鋰電池供電，鋰電池容量大、放電穩定，且沒有記憶效應。采用LTC1844為傳感器系統提供穩定的3.3 V電壓。LTC1844是一款150 mA、微功率、低噪聲、VLDO線性穩壓器。它具有一個1.6 V～6.5 V的寬輸入電壓范圍。電源電流僅為35 μA，即使在壓降條件下也不例外。在整個溫度、電壓和電流范圍內具有1.75%的電壓準確度。
充電電路采用美國TI公司生產的先進鋰電充電管理芯片BQ2057C，利用BQ2057C芯片及簡單外圍電路可設計低成本的鋰電池充電器，非常適用于便攜式電子儀器的緊湊設計。BQ2057C可以動態補償鋰電池組的內阻以減少充電時間，帶有可選的電池溫度監測，利用電池組溫度傳感器連續檢測電池溫度，當電池溫度超出設定范圍時，BQ2057關閉對電池充電。內部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態識別可由輸出的LED指示燈實現，具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。
差分放大器采用ADI公司的AD8275。AD8275是一款增益為0.2的差分信號放大器,可把±10 V信號轉換成+4 V，它具有快速穩定時間和低失真性，內置精密激光調整匹配電阻，可確保低增益誤差、1 ppm/℃（最大值）的低增益漂移和80 dB的高共模抑制比。低增益漂移和低失調漂移連同它的快速穩定時間，滿足傳感器需要的精確而迅速捕獲數據的采集要求。
濾波器選用MAXIM公司的五階、低通、巴特沃斯濾波器MAX7414。它是一款開關電容式濾波器，由MOS 電容、開關電容和運算放大器組成，不僅功耗低（工作模式只需1.2 mA，休眠模式0.2 μＡ）、體積小，在芯片典型電路中確定了接地電容和積分電容，只需一個電容就可以控制時鐘周期，從而設置濾波截止頻率。
單片機選擇宏晶科技生產的STC12C5608AD。STC12C5608AD是單時鐘/機器周期單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度提高了8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，4路PWM，8路高速10 bit A/D轉換器，有很強的抗干擾性。由于垃圾填埋場的工作環境惡劣，而且由于該傳感器的高精度要求，選擇接外部晶振，外部晶振頻率為18.432 MHz。
IP-LINK模塊是赫立訊公司推出的基于ZigBee技術的嵌入式無線模塊。本設備選用IP-LINK1223-5142，它包含一個高性能的8 bit 8051微處理器和一個符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器，實現了單片機數據和上位機命令的相互傳送。
3 軟件設計
以硬件電路為基礎，Keil C為開發工具，軟件[3]主要實現了以下功能：
(1)請求時鐘。為了實現傳感器低成本、低功耗的目標，該傳感器無自帶時鐘，而采集的數據信息需包含采樣信息和采樣信息時間，因此，在采樣之前，傳感器先向上位機請求時鐘。
(2)傳感器丟失報警。傳感器會定時（60 s）向上位機發送信號，如果上位機連續10次沒有接收到此信號，就認為此傳感器丟失，便發出警報，通知工作人員來處理相關問題。
(3)傳感器低壓報警。當傳感器供電電壓低于一定水平時，便向上位機發出信號，上位機即時將該信息顯示在工作窗口上，并由工作人員處理。
(4)新到傳感器自動加入網絡。本設計應用了ZigBee無線Mesh網狀網絡拓撲結構，該結構具有自組織和自愈功能，即網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化網絡，當增加、刪除節點或節點位置發生變動時，網絡能夠進行自我修復。因此隨著填埋場的擴大，可以不斷地在新開辟區域安裝新的傳感器，新到傳感器自動加入網絡，無需人工干預，這給填埋場的擴大和維護帶來了極大的方便。
(5)定時向上位機發送數據。工作人員可根據需要通過上位機設定傳感器發送數據的時間間隔。
程序開始執行后，首先進行系統初始化，包括相關變量的初始化、單片機相關寄存器和I/O口初始化以及IP-LINK初始化等。初始化完成后，向上位機請求時鐘，若請求時鐘成功，則程序繼續往下執行，若請求10次還得不到時鐘信息，則跳過該步驟，繼續往下執行，進行數據采樣。為了使采樣結果更準確，采用多次采樣取平均值的方法，然后將所得數據打包，再通過ZigBee發送給上位機。上位機接收到數據后，進行相關處理，最終將結果顯示到工作窗口上。程序流程圖如圖3所示。
本文設計了一款應用于垃圾填埋場的基于ZigBee的滲漏檢測傳感器，并對其硬件結構和軟件設計進行了詳細介紹。該傳感器可適應垃圾填埋場的惡劣環境，精確度高、體積小巧、即插即用，傳感器本身自帶的充電功能使傳感器應用起來更加方便，而且它可以自適應ZigBee網絡的拓撲結構，隨著填埋場的擴大，可以不斷地在新開辟區域安裝模塊。為系統的擴展和維護帶來了極大的方便。本設計性能可靠，對于目前普遍存在的垃圾填埋場的漏洞檢測問題具有極大的應用價值。
參考文獻
[1] 王斌，王琪，董路.垃圾填埋場防滲層滲漏檢測方法的比較[J].環境科學研究，2002，15(5)：47-48，54.
[2] 梅麗鳳，王艷秋，張軍.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2009.
[3] BRIAN W K，DENNIS M R.C程序設計[M].北京：機械工業出版社，2004.