基于ZigBee的水庫水位監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

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摘要：國內(nèi)水庫水位測量大多采用人工測量的方法，或是通過GPRS實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。人工方法測量存在人身安全問題，測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，監(jiān)測的實時性較差等問題，利用GPRS對水庫水位遠(yuǎn)程多點實時監(jiān)控，功耗、供電等問題造成附加成本較高。系統(tǒng)采用STC89C52微控制器，處理傳感器測得的水位數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場數(shù)碼管實時顯示水位信息，采用低功耗的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)程傳輸，監(jiān)控中心通過C#編寫的可視化界面實時觀測水庫水位信息。實驗證明系統(tǒng)具有實時性強、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、智能化高、易組網(wǎng)、成本低、便于安裝和維護等優(yōu)點，具有一定的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：水庫水位監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制；ZigBee；STC89C52
0 引言
中國水之源總量居世界第六位，人均占有水資源量僅為世界人均占有量的四分之一，合理的利用和處理水資源已成為我國現(xiàn)面臨的一個非常重要的問題。目前，國內(nèi)許多水庫水位監(jiān)測都是采用人工的方法，或是通過GPRS實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。人工的方法存在著測量的人身安全問題，而且還存在著數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性問題，監(jiān)測的實時性不強等問題，這嚴(yán)重的影響了正常的工作效率。通過GPRS實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方法對于復(fù)雜地形或多點檢測附加成本比較高。
隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高，低功耗、遠(yuǎn)程、低速、廉價的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組件成為關(guān)注的焦點。為此本系統(tǒng)采用了單片機來處理傳感器測得的水位數(shù)據(jù)并采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到實時監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制的目的。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
本系統(tǒng)分為上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機測控終端如圖1所示。下位機測控終端實現(xiàn)對水庫水位的實時監(jiān)測功能，壓力傳感器采集水壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)放大器、A／D轉(zhuǎn)換后傳輸給STC89C52單片機，單片機將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過ZigBee模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。當(dāng)水庫的水位超過高警戒水位或低于低警戒水位時，進(jìn)行現(xiàn)場報警和遠(yuǎn)程報警，工作人員可以通過遠(yuǎn)程的上位機監(jiān)控界面控制閘門的開啟和關(guān)閉，亦可在現(xiàn)場通過315 MHz無線遙控器來控制閘門的啟閉。


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 ZigBee模塊簡介
ZigBee技術(shù)足一種近距離、低成本、低復(fù)雜度、低功耗的雙向無線通信技術(shù)，介于無線標(biāo)記與藍(lán)牙之間的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)和間歇性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，可嵌入各種系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)程傳輸。
2．2 模塊使用注意事項
(1)對于780 MHz、800 MHz、900 MHz頻段使用時，盡量避免與433 MHz頻率大功率模塊混用，避免433 MHz的諧波干擾。
(2)模塊供電選擇，應(yīng)選擇負(fù)載跟隨性高的芯片作為供電的電源，要求在模塊發(fā)射時，電源的跳變應(yīng)小于100 mV。
(3)工作電壓必須在3. 3～3．6 V之間，否則模塊會復(fù)位，不能正常工作。
(4)如節(jié)點需一直處于喚醒狀態(tài)，建議將管腳電平變?yōu)榈推健?br /> 2．3 ZigBee模塊外圍電路設(shè)計
本系統(tǒng)使用的集成ZigBee模塊與單片機通信是通過串口傳輸數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸遵循ZigBee協(xié)議。外圍電路如圖2所示，此模塊的RXD和TXD直接與單片機的P3．0和P3. 1相連接，在單片機與ZigBee模塊進(jìn)行通信之前對本系統(tǒng)的下位機的和上位機兩個Zig Bee參數(shù)設(shè)置見表1，ZigBee模塊參數(shù)配置都是通過AT指令利用串口調(diào)試工具進(jìn)行操作。


系統(tǒng)下位機采集發(fā)送數(shù)據(jù)時ZigBee模塊設(shè)置為路由方式，而上位機接收的ZigBee模塊設(shè)置成主模式。設(shè)置成路由方式則可以通過收發(fā)來自主節(jié)點的數(shù)據(jù)，如果進(jìn)行多點的水位測量，這些節(jié)點就自動組成了一個以上位機節(jié)點為中心的一個星型的傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。此時處理器將處理好的水位數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ZigBee模塊，而這些模塊則遵循ZigBee協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)。需要注意的是利用串口發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔最好在200 ms以上。

為了實現(xiàn)ZigBee模塊與上位機的通信必須要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用的電平轉(zhuǎn)換芯片是MAX232，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。將另一個ZigBee模塊的TXD與RXD引腳分別與圖2中TXD，RXD相連，就可以實現(xiàn)單片機與上位機的遠(yuǎn)程通信。硬件連接如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3. 1 測控終端軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的整體軟件流程罔如圖4所示，其中初始化包括，中斷、ADC0832、定時器和各個所用端口的初始化。

3．2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的上位機界面是利用C#語言在Visual Studio2005編譯環(huán)境下編寫的一種Windows應(yīng)用程序，上位機界面程序的核心就是通過對串口控件的調(diào)用編寫來實現(xiàn)單片機與上位機的通信。
遠(yuǎn)程上位機操作界面如圖5所示，遠(yuǎn)程上位機可視化界面可進(jìn)行水位的實時顯示、同時還顯示當(dāng)前的時間值，并且可以通過此界面設(shè)置水位的高低警戒值，當(dāng)超過或低于高警戒水位或低警戒水位值時進(jìn)行界面顯示報警，操作人員則可以通過界面的開閘，關(guān)閘按鈕控制水庫閘門的開啟和關(guān)閉。
4 結(jié)語
試驗證明，本系統(tǒng)具有通用性好，集成度高，成本低，可擴展性好，智能化高，實時性好，易于維護等優(yōu)點，可用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式水位自動監(jiān)測系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在水庫水位監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制方面將對水庫水位信息化、智能化管理有著重要的作用。