基于ZigBee的水庫水位監測及遠程控制系統

摘要：國內水庫水位測量大多采用人工測量的方法，或是通過(guò)GPRS實(shí)現遠程監測。人工方法測量存在人身安全問(wèn)題，測量數據的不準確性，監測的實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題，利用GPRS對水庫水位遠程多點(diǎn)實(shí)時(shí)監控，功耗、供電等問(wèn)題造成附加成本較高。系統采用STC89C52微控制器，處理傳感器測得的水位數據，通過(guò)現場(chǎng)數碼管實(shí)時(shí)顯示水位信息，采用低功耗的ZigBee技術(shù)實(shí)現數據無(wú)線(xiàn)遠程傳輸，監控中心通過(guò)C#編寫(xiě)的可視化界面實(shí)時(shí)觀(guān)測水庫水位信息。實(shí)驗證明系統具有實(shí)時(shí)性強、數據準確、智能化高、易組網(wǎng)、成本低、便于安裝和維護等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的應用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：水庫水位監測；遠程控制；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?jì)H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面臨的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。目前，國內許多水庫水位監測都是采用人工的方法，或是通過(guò)GPRS實(shí)現遠程監測。人工的方法存在著(zhù)測量的人身安全問(wèn)題，而且還存在著(zhù)數據測量的準確性問(wèn)題，監測的實(shí)時(shí)性不強等問(wèn)題，這嚴重的影響了正常的工作效率。通過(guò)GPRS實(shí)現遠程監控的方法對于復雜地形或多點(diǎn)檢測附加成本比較高。
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無(wú)線(xiàn)通信的要求越來(lái)越高，低功耗、遠程、低速、廉價(jià)的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)組件成為關(guān)注的焦點(diǎn)。為此本系統采用了單片機來(lái)處理傳感器測得的水位數據并采用ZigBee技術(shù)實(shí)現數據傳輸，從而達到實(shí)時(shí)監測及遠程控制的目的。

1 系統總體方案設計
本系統分為上位機監控系統和下位機測控終端如圖1所示。下位機測控終端實(shí)現對水庫水位的實(shí)時(shí)監測功能，壓力傳感器采集水壓力數據，經(jīng)放大器、A／D轉換后傳輸給STC89C52單片機，單片機將采集到的數據進(jìn)行處理，再通過(guò)ZigBee模塊實(shí)現數據的遠程傳送。當水庫的水位超過(guò)高警戒水位或低于低警戒水位時(shí)，進(jìn)行現場(chǎng)報警和遠程報警，工作人員可以通過(guò)遠程的上位機監控界面控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，亦可在現場(chǎng)通過(guò)315 MHz無(wú)線(xiàn)遙控器來(lái)控制閘門(mén)的啟閉。

2 系統硬件設計
2．1 ZigBee模塊簡(jiǎn)介
ZigBee技術(shù)足一種近距離、低成本、低復雜度、低功耗的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，介于無(wú)線(xiàn)標記與藍牙之間的雙向無(wú)線(xiàn)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備之間進(jìn)行數據傳輸以及典型的有周期性數據、低反應時(shí)間數據和間歇性數據傳輸的應用，可嵌入各種系統中，實(shí)現數據無(wú)線(xiàn)遠程傳輸。
2．2 模塊使用注意事項
(1)對于780 MHz、800 MHz、900 MHz頻段使用時(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，應選擇負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 )復位，不能正常工作。
(4)如節點(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模塊外圍電路設計
本系統使用的集成ZigBee模塊與單片機通信是通過(guò)串口傳輸數據，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中不同節點(diǎn)間的數據傳輸遵循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的下位機的和上位機兩個(gè)Zig Bee參數設置見(jiàn)表1，ZigBee模塊參數配置都是通過(guò)AT指令利用串口調試工具進(jìn)行操作。

系統下位機采集發(fā)送數據時(shí)ZigBee模塊設置為路由方式，而上位機接收的ZigBee模塊設置成主模式。設置成路由方式則可以通過(guò)收發(fā)來(lái)自主節點(diǎn)的數據，如果進(jìn)行多點(diǎn)的水位測量，這些節點(diǎn)就自動(dòng)組成了一個(gè)以上位機節點(diǎn)為中心的一個(gè)星型的傳感網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行數據的收發(fā)。此時(shí)處理器將處理好的水位數據通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee模塊，而這些模塊則遵循ZigBee協(xié)議收發(fā)數據。需要注意的是利用串口發(fā)送數據的時(shí)間間隔最好在200 ms以上。

為了實(shí)現ZigBee模塊與上位機的通信必須要進(jìn)行電平轉換，采用的電平轉換芯片是MAX232，MAX232芯片是美信公司專(zhuān)門(mén)為電腦的RS 232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，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)現單片機與上位機的遠程通信。硬件連接如圖3所示。

3 系統軟件設計
3. 1 測控終端軟件設計
本系統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 監控中心軟件設計
本系統的上位機界面是利用C#語(yǔ)言在Visual Studio2005編譯環(huán)境下編寫(xiě)的一種Windows應用程序，上位機界面程序的核心就是通過(guò)對串口控件的調用編寫(xiě)來(lái)實(shí)現單片機與上位機的通信。
遠程上位機操作界面如圖5所示，遠程上位機可視化界面可進(jìn)行水位的實(shí)時(shí)顯示、同時(shí)還顯示當前的時(shí)間值，并且可以通過(guò)此界面設置水位的高低警戒值，當超過(guò)或低于高警戒水位或低警戒水位值時(shí)進(jìn)行界面顯示報警，操作人員則可以通過(guò)界面的開(kāi)閘，關(guān)閘按鈕控制水庫閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

4 結語(yǔ)
試驗證明，本系統具有通用性好，集成度高，成本低，可擴展性好，智能化高，實(shí)時(shí)性好，易于維護等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種監測環(huán)境的多模式水位自動(dòng)監測系統及遠程控制系統。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在水庫水位監測及遠程控制方面將對水庫水位信息化、智能化管理有著(zhù)重要的作用。