基于ZigBee的填埋场渗漏检测传感器的设计

摘  要： 针对垃圾填埋场防渗衬层的漏洞检测问题，设计了一种基于ZigBee的填埋场渗漏检测传感器，并对传感器的硬件结构和软件设计分别作了详细的介绍。该传感器将所采集到的漏洞信息通过ZigBee无线网络发送至上位机，由上位机对相关信息进行处理。
关键词： 渗漏检测；ZigBee；传感器
      利用坑洼地填埋城市垃圾是目前大多数城市的垃圾处理方式[1]。采用填埋处理要考虑的一个极其重要的问题是对周边环境的影响，要防止废物的溶液滤沥以及雨水径流对水源的污染，因此填埋场的防渗衬层系统是必不可少的设施。研究调查表明，在施工中由于机械的或人为的不规范操作会致使防渗层破损，在运营时由于地基不均匀下陷、缩性形变、化学腐蚀等都会引起防渗层渗漏。如果漏洞不能及时发现并修补，垃圾渗滤液将会透过孔隙进入地下水和土壤，对环境造成严重的影响。因此垃圾填埋场的渗漏检测是一个极其重要的环节。
     ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，是由ZigBee联盟制定的低成本、小体积、低功耗无线通信技术。它功耗低、延时短、安全性强、节点容量高，且工作在免执照频段2.4 GHz，无需网络租用费用。应用ZigBee技术实现垃圾填埋场的渗漏检测系统组网简单、成本低廉。
     本文基于ZigBee技术设计了一款应用于垃圾填埋场的渗漏检测传感器，该传感器能够准确监测填埋场的防渗层状况，及时发现漏洞，并将漏洞的地理位置信息通过ZigBee无线网络发送至上位机。该传感器是个高精度的独立模块，具备防水功能，体积小巧，即插即用，便于系统的扩展和维护，能够解决垃圾填埋场的漏洞检测问题，对于垃圾填埋场的建设和维护具有极其重要的意义。
1 系统综述
     该漏洞检测系统由传感器模块和上位机两部分组成。传感器模块位于各个监测点，监测填埋场的环境信息，同时将环境信息和地理位置信息通过ZigBee无线网络发送至上位机，上位机接收并处理来自传感器的数据，并人为地采取相应的措施。同时，上位机可以根据要求控制传感器的工作状况。本文着重讲述传感器模块的设计。该漏洞检测系统的结构框图如图1所示。
   
   2 硬件设计
2.1 传感器功能
     该传感器的具体功能是：及时采集环境数据，把采集到的数据和地理位置信息经过ZigBee无线网络发送至上位机；同时可接收来自上位机的命令，如设定时钟、采样时间间隔、监测传感器电池电量等；监测并控制传感器的工作状态。
2.2 传感器结构
     传感器由电源模块、数据采集模块、微控制器和ZigBee模块四部分组成[2]，硬件结构如图2所示。系统采集到的信号经数据采集模块处理后，得到目标信号，目标信号经微控制器处理后，通过串口传送至ZigBee模块，再由ZigBee模块IP-LINK经ZigBee无线网络发送至上位机。
     如图2所示，电源模块包括供电、充电和电量监测三个部分。电源由锂电池进行供电。供电部分为整个系统提供稳定的3.3 V电压，该部分包含过流保护，当电池输出电流超过安全范围时 ，电路将自动切断；充电部分可为锂电池进行充电，在充电的同时也为传感器提供稳定的工作电压；电量监测部分可及时监测锂电池电量，以保证传感器工作的正常进行。