基于ZigBee和CDMA的水情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 娟

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441000)

水旱災(zāi)害一直是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，社會(huì)對(duì)水資源需求的數(shù)量與質(zhì)量要求也越來(lái)越高。當(dāng)下，洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水土流失、水污染四大水問(wèn)題對(duì)我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)已經(jīng)構(gòu)成嚴(yán)重制約，因此，必須利用和管理好水資源，完善水利設(shè)施，興利避害，造福人類。

目前，水情信息的采集、監(jiān)測(cè)主要有線方式和無(wú)線方式。有線方式不僅成本過(guò)高，在某些特殊地域不適合布線，且有線方式的設(shè)備的安裝相對(duì)來(lái)說(shuō)也很麻煩?，F(xiàn)有的無(wú)線方式中，使用的大多是收費(fèi)的頻段，并且收費(fèi)方式是按設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算，它們的硬件設(shè)備成本及運(yùn)行成本都比較高。而本系統(tǒng)中采用時(shí)下新興的zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，它使用2.4GHz的免費(fèi)頻段，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，極好的解決了大范圍水情的監(jiān)控問(wèn)題。

1 水情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 水情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于 zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、CDMA模塊和監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點(diǎn)任意分布在某一監(jiān)測(cè)區(qū)域，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成zigbee通信子網(wǎng)，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)zigbee協(xié)議與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，再通過(guò)CDMA無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)能對(duì)監(jiān)測(cè)站各類傳感器設(shè)備兼容，初步實(shí)現(xiàn)（雨量信息、水位信息、電源電壓信息、采集器工作狀態(tài)信息）數(shù)字和模擬信號(hào)的采集，其中電源信息輸入信號(hào)為0-12v,雨量、水位信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，要求降雨1mm觸發(fā)采集計(jì)量并上傳；水位計(jì)采用格雷碼方式，要求變化10mm觸發(fā)采集計(jì)量并上傳。

1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)也稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它由zigbee射頻收發(fā)模塊、主控制器和CDMA通信模塊組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。zigbee射頻收發(fā)模塊與微處理器之間采用串口中斷通信，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)zigbee模塊收到傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)后，會(huì)通過(guò)中斷觸發(fā)主控制器完成接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等任務(wù)，并觸發(fā)CDMA模塊向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與傳感器設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的通信使用zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信使用CDMA網(wǎng)絡(luò)。前者可擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，減小成本，后者可增加通信距離，便于遠(yuǎn)程操作。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

中心節(jié)點(diǎn)zigbee射頻收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530，它是TI最新推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射頻收發(fā)器，該芯片工作的頻率范圍是2400~2483.6MHZ，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸高達(dá)250Kb/s,CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)注的8051MCU，可編程Flash存儲(chǔ)器、8KB RAM和許多其它強(qiáng)大功能。CC2530有4 種不同的Flash 版本: CC2530F32 /64/128 /256，分別具有 32 /64 /128 /256 KB Flash 存儲(chǔ)器. CC2530 比較適合需要超低功耗的系統(tǒng)，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，是一個(gè)真正的用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng) ( SOC) 解決方案[2]。

中心節(jié)點(diǎn)的主控制器采用32位ARM7微控制器LPC2210,它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30% ，而性能的損失卻很小。由于LPC2210的144腳封裝 極低的功耗 多個(gè)32位定時(shí)器 8路10位ADC PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制醫(yī)療系統(tǒng)訪問(wèn)和控制POS機(jī)；通過(guò)配置總線LPC2210最多可提供76個(gè)GPIO，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟modern以及其它各種類型的應(yīng)用。

CDMA模塊由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端Saro6550EP CDMA DTU來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)共享。該終端采用模塊化設(shè)計(jì)，是基于CDMA技術(shù)的DTU，符合CDMA IS-95A/B、CDMA 20001X 空中接口標(biāo)準(zhǔn)，采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧， 數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，支持全透明方式下多中心數(shù)據(jù)傳輸，支持根據(jù)域名和IP 地址訪問(wèn)中心，多種工作模式選擇，使用方便、靈活，軟硬件看門(mén)狗設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，采用5V~35V 電壓，供電電源適應(yīng)性更寬，抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求，方便的系統(tǒng)配置和維護(hù)借口，支持串口軟件升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)也稱為設(shè)備節(jié)點(diǎn)，它主要由zigbee射頻收發(fā)模塊和前端各種傳感器組成。zigbee射頻收發(fā)模塊芯片仍使用TI的CC2530，雨量計(jì)選擇北京恒奧德儀器儀表有限公司的TQY8-SL2-1， 它用來(lái)測(cè)量降雨量及降雨強(qiáng)度，采用單翻斗式技術(shù)原理，其輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)電纜直接與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。水位計(jì)采用壓阻式壓力傳感器測(cè)得水深，從而得到即時(shí)水位值。

此外，為了增加通信距離，在中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)上都要安裝天線，它是zigbee射頻收發(fā)模塊的重要器件，系統(tǒng)中使用巴倫匹配電路來(lái)進(jìn)行射頻收發(fā)信號(hào)的匹配，天線采用效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便的印制彎折倒F型天線，具有尺寸小、剖面低、成本低等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是 IAR7.6，采用的協(xié)議棧為 TI的TI-MAC-1.3.1，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干從設(shè)備節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，從設(shè)備負(fù)責(zé)通過(guò)前端傳感器采集數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)協(xié)調(diào)器上電開(kāi)始工作時(shí)，它就會(huì)掃描信道并選擇合適信道，設(shè)定一個(gè)PANID，然后啟動(dòng)PAN；而設(shè)備節(jié)點(diǎn)需要和協(xié)調(diào)器建立連接加入 PAN，為了建立連接，設(shè)備需要向協(xié)調(diào)器提出連接請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到設(shè)備連接請(qǐng)求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對(duì)請(qǐng)求連接的設(shè)備做出回答。只有設(shè)備與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。此外，為了實(shí)現(xiàn)低功耗，設(shè)備節(jié)點(diǎn)采用休眠/喚醒機(jī)制，每隔30s采集一次數(shù)據(jù)，不采集數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠模式，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，便喚醒CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，此設(shè)計(jì)方案能滿足遙測(cè)站對(duì)雨量、水位、設(shè)備供電情況的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，能較好地滿足用戶要求。本文提出的基于ZigBee和CDMA的水情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且開(kāi)發(fā)成本較低、便于安裝，很好的解決了傳統(tǒng)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的布線、搬遷、成本等問(wèn)題。若要擴(kuò)大監(jiān)控范圍，可通過(guò)增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)擴(kuò)大子網(wǎng)數(shù)量，將星型拓?fù)涓臑闃?shù)形拓?fù)洹Ａ硗?，本系統(tǒng)稍加改動(dòng)也可用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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