基于ZigBee的自來(lái)水監測網(wǎng)絡(luò )系統設計與實(shí)現

摘要：基于ZigBee的自來(lái)水水質(zhì)監測系統利用傳感器采集數據，用ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和USB基站長(cháng)距離傳送到上位機。通過(guò)對自來(lái)水水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控，存儲水質(zhì)參數和數理統計，以及超閾值報警提示等功能。相比于傳統的人工監測，能有效節省人工，且更能保證水質(zhì)監測的實(shí)時(shí)性，有效性，連貫性。

關(guān)鍵詞：Zigbee;水質(zhì)監測網(wǎng);網(wǎng)關(guān);serialPort

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水質(zhì)的污染和破壞問(wèn)題日趨嚴重，著(zhù)眼于社會(huì )所需，我們研究了基于ZigBee的水質(zhì)監測系統，為水質(zhì)保駕護航。

水質(zhì)污染問(wèn)題刻不容緩，城市飲水主要是通過(guò)自來(lái)水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時(shí)監測水質(zhì)變化的設備系統。論文探討構建基于ZigBee技術(shù)的自來(lái)水監測網(wǎng)絡(luò )物理結構，重點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)關(guān)轉wifi和轉USB的協(xié)議轉換。上位機監控功能中，實(shí)現了數據實(shí)時(shí)接收、顯示以及歷史數據查詢(xún)，對超閾值數據，報警提示。

1 物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)具有自組網(wǎng)，低功耗，延時(shí)小，多跳的特點(diǎn)，適用于長(cháng)時(shí)間組網(wǎng)監測。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中有3種設備，協(xié)調器(Co_ordinator) 為全功能節點(diǎn)(FFD)，負責建立網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )只能有一個(gè)協(xié)調器，相當于蜂群結構中的蜂后，當網(wǎng)路建立完成后，協(xié)調器的功能相當于普通路由器(Router)。路由器負責數據的路由跳轉，能夠將消息發(fā)給其他節點(diǎn)設備。終端節點(diǎn)(End device)負責數據的采集與發(fā)送。以上3種設備可以分為全功能節點(diǎn)(FFD)和半功能節點(diǎn)(RFD)。

每個(gè)節點(diǎn)具有兩個(gè)地址：

1)IEEE MAC地址

這是一種64位的地址，這個(gè)地址由IEEE組織進(jìn)行分配，用于唯一的標識設備，全球沒(méi)有任何兩個(gè)設備具有相同的MAC地址。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，有時(shí)也叫MAC地址為擴展地址。

2)16位短地址

16位短地址用于在本地網(wǎng)絡(luò )中標識設備，和在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送數據，所以如果是處于不同的網(wǎng)絡(luò )中有可能具有相同的短地址。當一個(gè)節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候將由它的父節點(diǎn)給它分配短地址，協(xié)調器的短地址是0。

ZigBee網(wǎng)路的拓撲結構主要為星狀(star)，樹(shù)狀(Cluster_tree)，網(wǎng)格(mesh)，其中星狀網(wǎng)絡(luò )不支持ZigBee路由器。不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構適用用于不同的使用環(huán)境。

2 系統體系結構

基于ZigBee的水質(zhì)監測系統可以對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控，整個(gè)系統由下位機監測網(wǎng)和上位機軟件組成，下位機監測網(wǎng)負責數據的采集，和數據在ZigBee網(wǎng)絡(luò )上的傳輸。上位機軟件負責對來(lái)自監測網(wǎng)數據的存儲，數理統計，水質(zhì)參數超標實(shí)時(shí)報警，和設備運行狀況的檢查。系統結構如圖1所示。

3 水質(zhì)監測網(wǎng)的下位機

下位機部分由一個(gè)ZigBee轉WiFi網(wǎng)關(guān)或一個(gè)ZigBee轉USB基站，2個(gè)PH采集節點(diǎn)，一個(gè)溫度采集節點(diǎn)組成。

所有節點(diǎn)內嵌ZigBee通訊模塊，在節點(diǎn)的通訊模塊中，燒寫(xiě)了ZigBee協(xié)議棧的移植版，所有節點(diǎn)上電即進(jìn)行自組網(wǎng)，進(jìn)行數據的采集和傳輸。通過(guò)AT 命令來(lái)指定協(xié)調器，路由器，和終端節點(diǎn)，以及節點(diǎn)的相關(guān)參數。當掉電時(shí)，能進(jìn)行參數的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的 cortex-M3內核。其具有出色的實(shí)時(shí)性能、優(yōu)越的功

效、高級的創(chuàng )新型的外設、最大的集成性。CPU工作頻率最高達到72 MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。

ZigBee通信具有通信穩定的優(yōu)點(diǎn)。增加的無(wú)線(xiàn)功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問(wèn)題，使得節點(diǎn)通信距離可以達到幾千米，最大限度的保證了通信的穩定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節點(diǎn)接收和發(fā)送數據的流程圖。

在下位機與PC機的銜接部分，筆記本可以用WiFi網(wǎng)關(guān)或ZigBee轉USB基站來(lái)接收數據，對于臺式機可以直接用ZigBee轉USB基站來(lái)接收。

4 水質(zhì)監測網(wǎng)的上位機

上位機界面采用C#編程，開(kāi)發(fā)工具為vs2012，數據庫為SOL Server。

4.1 WIFI網(wǎng)關(guān)接收模式

當啟用WIFI網(wǎng)關(guān)接受模式時(shí)，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議采用TCP，相比UDP穩定，用socket套接字來(lái)連接PC機與WIFI網(wǎng)關(guān)。

當上位機軟件啟動(dòng)時(shí)，上位機首先創(chuàng )線(xiàn)thwatchport=new Thread(listening);用來(lái)監視，WiFi網(wǎng)關(guān)是否與PC機相連，若沒(méi)有，則繼續監聽(tīng)。當連接完成時(shí)，軟件創(chuàng )建另一線(xiàn)程threcive=new Thread(autorecive)，用于接收WiFi網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的數據，并隨時(shí)將數據存入數據庫中。

由于第一個(gè)線(xiàn)程不斷循環(huán)查詢(xún)，當WiFi網(wǎng)關(guān)斷開(kāi)，能保證WiFi網(wǎng)關(guān)重連時(shí)的成功，而不必重啟軟件。保證了系統的容錯率和健壯性。

偽代碼描敘如下：

運行結果圖：

4.2 ZigBee轉USB模式

對于臺式PC機，用WiFi網(wǎng)關(guān)接收模式固然可行，對于ZigBee網(wǎng)關(guān)與上位機物理距離較短時(shí)，還有另一種接收模式——ZigBee轉USB模模式。只要將USB一端插入臺式機的USB口，當上位機軟開(kāi)啟時(shí)便可以接收數據。

USB接受方式的編程實(shí)現，采用的是serialPort控件，直接采用事件觸發(fā)的方式。

偽代碼描敘如下：

運行結果圖：

線(xiàn)程和事件觸發(fā)方式，和定時(shí)器定時(shí)接收方式相比，能保證數據的隨到隨收，無(wú)數據包遺漏現象。

對于數據的處理，可以按時(shí)間查詢(xún)，并將查詢(xún)到的數據進(jìn)行普通的數理統計，如計算平均數，超標次數，并且能將數據查詢(xún)統計結果導出生成Excel文件，方便用戶(hù)進(jìn)一步分析調研。

此外，上位機軟件具有良好的用戶(hù)界面，與異常處理，方便用戶(hù)操作與使用，接收界面使用動(dòng)態(tài)GIF圖片制作，如圖2，第一個(gè)蘋(píng)果表示等待連接，第二個(gè)蘋(píng)果表示已連接成功，正在接收數據，當WIFI網(wǎng)關(guān)掉線(xiàn)時(shí)，第二個(gè)蘋(píng)果停止動(dòng)態(tài)顯示，方便用戶(hù)動(dòng)態(tài)感覺(jué)數據接收正在進(jìn)行，當數值超標時(shí)，或設備電壓不足時(shí)，軟件亦能及時(shí)彈出報警窗口。

5 結論

基于ZigBee的自來(lái)水監測網(wǎng)能有效對自來(lái)水水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，設計實(shí)現了系統的網(wǎng)絡(luò )結構，完成了傳感器數據采集、傳輸、查詢(xún)顯示以及報警等系統功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸傳感器的數據采用兩種方式：WiFi網(wǎng)關(guān)的socket方式和ZigBee轉USB的serialPort方式。兩種方式都能實(shí)現數據的實(shí)時(shí)傳輸的實(shí)時(shí)接收，基于線(xiàn)程的socket，使用了線(xiàn)程輪轉循環(huán)的方式，能有效防止WiFi網(wǎng)關(guān)掉線(xiàn)，并提醒用戶(hù)。此時(shí)接收線(xiàn)程 threcieve終止，監聽(tīng)線(xiàn)程thwatchport依舊循環(huán)，等待WiFi網(wǎng)關(guān)重新連接。

下一階段工作的重點(diǎn)，圍繞完善系統功能和擴展系統應用展開(kāi)：

對于下位機網(wǎng)絡(luò )，采集節點(diǎn)數目不夠多，參數種類(lèi)也不夠豐富。在PANID，信道，和數據包一致的情況下，可以不斷加入新的節點(diǎn)，增加下位機網(wǎng)絡(luò )的功能。

對于數據傳輸，利用GPRS網(wǎng)，通過(guò)GPRS短信直接通知水質(zhì)超標等情況，亦可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò )轉為3G或4G網(wǎng)絡(luò )，使數據傳輸的方式變得靈活多樣。

在上位機功能部分，豐富數據查詢(xún)統計方式，添加系統日志管理，改進(jìn)異常情況的友好提示等。豐富客戶(hù)端的操作平臺，延伸至Web方式，以及基于移動(dòng)終端的App應用。對

于已經(jīng)采集的數據，可以進(jìn)行數據挖掘，和大數據運算，研究當地經(jīng)濟，生活的狀態(tài)。