基于ZigBee无线通信技术的河流水位监测系统

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基于ZigBee无线通信技术的河流水位监测系统
彭元松;彭端
【摘要】Aimed at the current status of water level monitoring and measurement of river, the water level monitoring and measurement system of river was proposed,utilizing both ZigBee technology and ultrasonic waves measurement technology. In the system , the ultrasonic waves measurement modules were combined with wireless sensor nodal points. The system has broad application prospects,because the wireless sensors are small,easy to expand,and of low power comsumption.%针对目前国内的河流水位监测现状,文中提出了一种将ZigBee无线通信技术和超声波测量技术相结合的河流水位监测系统.该系统将超声波测量模块与无线传感器节点相结合,充分发挥无线传感器体积小、功耗低、易于扩展的特点,具有广阔的应用前景.【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)007
【总页数】3页(P68-70)
【关键词】ZigBee;超声波;水位监测
【作者】彭元松;彭端
【作者单位】西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安710126;广东工业大学实验教学部,广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】TP216.1
0 引言
水位测量一直是水利、水文部门的重要课题,是堤库大坝安全、水利排灌、调度、蓄水、泄洪的主要参数。

目前,河流水位监测系统大多采取有线连接的方式,系统耗材多,造价高,功耗大,抗干扰能力低,设计、施工与维护复杂,扩展性能差,布线繁琐。

而且有线网络线路容易老化或遭到腐蚀、磨损等,故障发生率和误报率高,不易排查检修。

采用无线连接的方式可以较大地减少工程量和降低安装维护成本,同时也有利于远程监控和无人值守,适用于大范围的河流水位监测。

文中研究探索了一种基于ZigBee无线通信技术的河流水位监测系统,具有工作稳定、造价低、施工期短、维护成本低的特点。

1 测量原理和ZigBee技术
1.1 气介式超声波水位测量模块工作原理
超声波在空气中传播,遇到水面后被反射。

通过测量超声波往返于模块与水面之间的时间,根据声速计算出模块到水面的距离,再用模块安装高程减去所算出的距离即得水位的高度,如图1所示。

计算方法如下[1]。

式中:V是超声波在空气中的传播速度,m/s;T是气温,℃;t是超声波往返于模块和水面之间的时间,s;L是模块到水面的距离,m;S是水位的高度,m;H是超声波测量模块的安装高程,m.
图1 气介式超声波水位测量原理
1.2 ZigBee技术
ZigBee是一种低速无线个域网技术(Low Rate Wireless Personal Area Network,
LRWPAN)。

IEEE 802.15.4 工作组主要负责制定其物理层和MAC层的协议,ZigBee联盟负责高层应用,测试和市场推广等方面的工作[2]。

ZigBee技术的优点有:
(1)使用成本低:ZigBee技术具体实现的要求比较低,数据传输速率为250 kbit/s,由于协议简单,8位处理器就可以满足其最低需要,从而降低了芯片的成本。

ZigBee协议是免专利费的,并且其使用的工作频段为2.4 GHz(全球),868
MHz(欧洲),915 MHz(美国),均为免申请频段,无需运营费用。

因此,ZigBee
技术的使用成本低,适合大规模普及使用;
(2)网络容量大:一个ZigBee网络最多可有255个ZigBee网络节点,其中只有一
个是主设备,其他都是从设备。

一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,可支持6万多个节点。

因此,可容纳节点数量大,适合大面积使用;
(3)节点耗电低;
(4)双向通信:不但可以从网络节点传出数据,而且可以将控制命令传到与网络节点
相连的传感器上;
(5)可靠性高:内置冗余保证,如果某个节点不在网络中,节点数据将自动路由到一
个替换节点以保证系统的可靠、稳定。

2 河流水位监测系统
2.1 系统网络结构
在网络层中,ZigBee定义了3种不同的设备:一是协调器节点,负责网络的建立;
二是路由器节点,负责查询、建立和修复信息包的路由路径并负责转发;三是终端
节点,只能加入已形成的网络,可以收发信息,不能转发信息,无路由功能[3]。

系统网络的构成如图2所示,整个系统组成串状网络,由协调器节点控制,路由
器节点转发数据和控制自己的超声波测量模块,而放在网络尽头的终端节点既可以控制自己的超声波测量模块又降低了成本。

进行河流水位监测时,测量节点须沿河
岸一一安放,这与串状网络拓扑结构的特点是相吻合的。

该监测系统通过与ZigBee节点相结合的超声波测量模块来测量水面到节点的距离,进而得到水位的高度,并通过协调器节点(汇聚点)发送到上位机,实现对各测量点的水位的监测。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)不仅可以实现大规模节点布置,还可以摆脱有线连接的方式对节点位置的局限,增加系统的灵活性。

无线传感器网络节点由于功耗低,可以采用电池供电方式,以适应电力供应中断的紧急特殊情况。

由于ZigBee采用自组织方式组网,允许随时建立无线通信链路,协调器节点一直处于监听状态。

当有新的终端节点加入到网络中时,会被附近的路由器节点发现并将其信息传送给协调器节点。

由协调器节点进行编址,计算其路由信息,更新数据转发表和设备关联表,确定其物理位置。

在紧急特殊情况发生时,水利、水文工作人员在进入指定区域前,带上可移动的终端节点设备,则在进入ZigBee无线网络覆盖区域后,终端节点将自动加入到网络中。

根据其与邻近的路由器节点的通信关系,可以确定其具体位置,便于监测中心准确指挥。

图2 河流水位监测系统无线网络结构
2.2 无线传感器网络测量节点硬件
无线传感器网络测量节点测量河流水位的高度,并将测得的数据通过汇聚点传送到上位机,节点的组成包括无线射频模块、微控制器模块、超声波模块和电源模块。

微控制器模块,以MSP430F1232单片机作为微控制器,它是一种具有集成度高、功能丰富、功耗极低等技术特点的16位单片机,采用RISC结构,单周期指令。

最显著的特点就是它的超低功耗,在1.8~3.6 V电压、1 MHz时钟的条件下运行,耗电电流为0.1~400 μA,RAM 在节电模式下耗电为0.1 μA,等待模式下仅为0.7 A,中断可任意嵌套,内部模块可关闭。

系统工作稳定,主时钟故障后,内部
时钟自动启动,非常适用于ZigBee应用。

射频模块采用CC2530芯片,如图3所示,是一款应用于消费性电子、无线控制
器、工业、科研、医疗等场合的2.4 GHz IEEE802.15.4的无线收发芯片,可确保短距离通信的有效性和可靠性。

图3 天线设计电路
超声波模块与微控制器模块相连,将微控制器模块产生的脉冲经换能器转换成超声波信号发射出去,并接收水面反射回来的超声波,得到超声波收发的这段时间值,进而得到水位的高度[4]。

2.3 无线传感器网络汇聚点
无线传感器网络汇聚点是无线传感器网络测量节点与上位机之间数据信息交互的中介。

其组成包括无线射频模块、微控制器模块、接口模块和电源模块。

与测量节点不同的是,汇聚点设计了串口以便于与上位机通信,将采集到的水位的高度信息上传。

相同的是,微控制器同样采用MSP430系列单片机。

监测系统可以通过网络管理来标识每个测量节点的位置,并通过测量节点与汇聚点的通信关系来确定汇聚点的位置。

对于单个测量节点来说,无线传感器网络中ZigBee的工作可以分为2个过程:数据发送过程和数据接收过程,如图4所示。

对于数据采集端,即测量节点,
CC2530通过SPI总线与微控制器相连,再通过基于ZigBee的无线传感器网络发送该节点处的水位的高度信息。

这些信息最终将到达数据接收端,即汇聚点,再利用RS-232异步串行接口把水位信息传送到上位机。

图4 数据传送过程
2.4 无线传感器网络测量节点软件
如图5所示,测量节点先初始化配置信息,比如测量周期、实时时钟等。

节点再根据实时时钟的采集周期,产生脉冲并启动微处理器内部定时器,从而得到超声波脉冲的往返时间,根据式(1)、式(2)和式(3)得到水位的高度,并将测得的高度进行储存,通过ZigBee无线网络发送到无线传感器网络汇聚点,进而上传到上位机水
位监测软件[5]。

图5 无线传感器网络测量节点软件设计
2.5 上位机水位监测软件
上位机水位监测软件是基于Visual C++串口通信技术设计的。

Visual C++的环境提供了串口通信控件MSComm,该控件采用的是事件驱动方式,可以很方便地对串口进行操作。

软件通过置SetRTSEnable(BOOL bNewValue)的属性值为True来表示计算机请求发送数据。

然后通过RThreshold属性,设置接收缓存区触发OnComm事件的阀值。

当接收缓存区字节数达到该阀值时,MsComm控件会触发一次OnComm事件,同时将CommEvent属性值设置为ComEvReceive,表示此次On-Comm事件是接收事件。

在CCommWizardDlg∷OnComm()中通过GetInput()函数读取接收缓存区中的全部数据,并对数据进行处理。

软件显示水位的实时数据,并通过波形实时显示水位的变化情况,同时将数据保存到数据库中以便对数据进行进一步的分析[6]。

图6 软件运行界面
3 结束语
将ZigBee无线通信技术应用在河流水位监测中,将有利于提高水位监测的效率,降低现有的监测系统的安装和运行成本。

特别是其具有可移动性及可扩展性,方便了对监测系统的安装、更新、组网,提高了水位监测系统的灵活性,易于大规模在水利建设中应用。

参考文献:
[1]赵志贡,李舒瑶,荣晓明.HW-1000C型非接触超声波自记水位计比测试验分析.中国农村水利水电,2007(5):131-132,135.
[2]Shahin Farahani.ZigBee Wireless Netwoks and
Transceivers.Burlington,MA:Elsevier Ltd.,2008.
[3]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战.北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[4]焦冰,唐慧强.基于ARM的一体式超声液位计的设计.仪表技术与传感器,2008(9):21-23.
[5]白占元,徐皑冬,赵伟,等.基于无线传感器网络的明渠流量测量系统设计.仪器仪表学报,2008(4):379-381.
[6]李景峰,杨丽娜,潘恒,等.Visual C++串口通信技术详解.北京:机械工业出版社,2010.。

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