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

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(shí)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(shí)時(shí)性較差等問題，利用GPRS對(duì)水庫水位遠(yuǎn)程多點(diǎn)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示水位信息，采用低功耗的ZigBee技術(shù)實(shí)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(shí)時(shí)觀測水庫水位信息。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)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(gè)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(shí)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(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問題，這嚴(yán)重的影響了正常的工作效率。通過GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方法對(duì)于復(fù)雜地形或多點(diǎn)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(duì)無線通信的要求越來越高，低功耗、遠(yuǎn)程、低速、廉價(jià)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組件成為關(guān)注的焦點(diǎn)。為此本系統(tǒng)采用了單片機(jī)來處理傳感器測得的水位數(shù)據(jù)并采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制的目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)分為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)測控終端如圖1所示。下位機(jī)測控終端實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫水位的實(shí)時(shí)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(jī)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過ZigBee模塊實(shí)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(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警，工作人員可以通過遠(yuǎn)程的上位機(jī)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(jì)
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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)程傳輸。
2．2 模塊使用注意事項(xiàng)
    (1)對(duì)于780 MHz、800 MHz、900 MHz頻段使用時(shí)，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(shí)，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(huì)復(fù)位，不能正常工作。
    (4)如節(jié)點(diǎn)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(jì)
    本系統(tǒng)使用的集成ZigBee模塊與單片機(jī)通信是通過串口傳輸數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)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(jī)的P3．0和P3. 1相連接，在單片機(jī)與ZigBee模塊進(jìn)行通信之前對(duì)本系統(tǒng)的下位機(jī)的和上位機(jī)兩個(gè)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(jī)采集發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)ZigBee模塊設(shè)置為路由方式，而上位機(jī)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(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果進(jìn)行多點(diǎn)的水位測量，這些節(jié)點(diǎn)就自動(dòng)組成了一個(gè)以上位機(jī)節(jié)點(diǎn)為中心的一個(gè)星型的傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。此時(shí)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(shí)間間隔最好在200 ms以上。

    為了實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與上位機(jī)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(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。將另一個(gè)ZigBee模塊的TXD與RXD引腳分別與圖2中TXD，RXD相連，就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信。硬件連接如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3. 1 測控終端軟件設(shè)計(jì)
    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(shí)器和各個(gè)所用端口的初始化。

3．2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的上位機(jī)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(jī)界面程序的核心就是通過對(duì)串口控件的調(diào)用編寫來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信。
    遠(yuǎn)程上位機(jī)操作界面如圖5所示，遠(yuǎn)程上位機(jī)可視化界面可進(jìn)行水位的實(shí)時(shí)顯示、同時(shí)還顯示當(dāng)前的時(shí)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(shí)進(jìn)行界面顯示報(bào)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(yàn)證明，本系統(tǒng)具有通用性好，集成度高，成本低，可擴(kuò)展性好，智能化高，實(shí)時(shí)性好，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式水位自動(dòng)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(duì)水庫水位信息化、智能化管理有著重要的作用。