基于ZIGBEE和STM32的農(nóng)村水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣西民族大學(xué) 龍凱思 黃開連 韋世勇

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基于ZIGBEE和STM32的農(nóng)村水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣西民族大學(xué) 龍凱思 黃開連 韋世勇

【摘要】水柜是解決農(nóng)村用水問題的一大保證，為了解決更多農(nóng)村的用水問題，提高用水的便捷性，保證家家戶戶都能解決用水難的苦惱，研究水柜的監(jiān)控系統(tǒng)是非常有意義的。本文主要通過研究以ZIGBEE為無線傳輸核心、STM32為控制核心以及WINFORM為上位機(jī)監(jiān)控中心的水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過ZIGBEE節(jié)點(diǎn)采集水位信息，無線傳輸至ZIGBEE協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口傳送至STM32，STM32處理信息后顯示以及傳輸至上位機(jī)。用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)水柜節(jié)點(diǎn)的水位、溫度信息，也可以通過上位機(jī)或者STM32控制節(jié)點(diǎn)抽水機(jī)進(jìn)行抽水，可以方便快捷地管理每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的水柜。

【關(guān)鍵詞】ZIGBEE；STM32；水柜監(jiān)控

0 前言

近年來，隨著科技的發(fā)展，電子技術(shù)行業(yè)的日益發(fā)達(dá)，如何將科技帶入農(nóng)村地區(qū)的供水問題值得我們思考。為了解決農(nóng)村用水問題的困難，方便村民取水、用水以及節(jié)約水資源，利用電子信息及無線通信技術(shù)管理以及監(jiān)控水柜，通過科技的力量取代原先的人工操作，減輕人工取水等繁重的工作，提高工作效率，改善生活質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)約資源和減輕工作負(fù)擔(dān)的雙贏。

本文主要研究以ZIGBEE為無線傳輸核心的多節(jié)點(diǎn)水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)，STM32和上位機(jī)組成的人機(jī)交互系統(tǒng)。期間解決ZIGBEE無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收問題，ZIGBEE與STM32的串口傳輸問題，STM32與上位機(jī)的串口傳輸問題。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、STM32遠(yuǎn)程控制水柜節(jié)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括水柜節(jié)點(diǎn)、主控模塊以及上位機(jī)監(jiān)控中心三個(gè)部分。

水柜節(jié)點(diǎn)主要包括ZIGBEE節(jié)點(diǎn)、壓力傳感器、溫度傳感器以及電源和抽水機(jī)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地采集數(shù)據(jù)并且發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能夠在最短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令，實(shí)現(xiàn)抽水機(jī)的運(yùn)行與停止。

主控模塊部分由ZIGBEE協(xié)調(diào)器和STM32構(gòu)成。協(xié)調(diào)器主要工作是創(chuàng)建一個(gè)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，允許節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息以及發(fā)送指令控制節(jié)點(diǎn)。STM32單片機(jī)主要由按鍵和顯示屏構(gòu)成，單片機(jī)通過串口接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的節(jié)點(diǎn)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示在液晶屏上，并且通過串口發(fā)送給上位機(jī)。用戶可以通過STM32上的按鍵控制每一個(gè)節(jié)點(diǎn)抽水機(jī)的工作。

上位機(jī)監(jiān)控中心主要通過電腦的串口接收到單片機(jī)發(fā)送來的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理后，動(dòng)態(tài)顯示水位高度在軟件界面上。用戶可以很直觀的觀測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位信息、溫度信息，并且在電腦上控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)抽水機(jī)的工作，還可以設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警水位。

2 部分硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括LCD12864液晶顯示屏模塊、STM32主控模塊和ZIGBEE無線傳輸模塊三個(gè)部分。

2.1 LCD12864液晶顯示屏

在系統(tǒng)STM32主控的顯示方面，我們采用了LCD12864液晶顯示屏。它是一款利用點(diǎn)陣圖形顯示的液晶模塊，該模塊具有128*64的顯示分辨率，可以顯示32個(gè)16*16點(diǎn)陣大小的字體。使用簡(jiǎn)單，成本較低。

2.2 STM32主控單片機(jī)

系統(tǒng)采用采用F103系列的RCT6作為微型處理芯片。它采用ARM32位的Cortex-M3CPU，最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有20K字節(jié)的SRAM。由此可見STM32的功能非常強(qiáng)大，足夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

2.3 Zigbee無線傳輸模塊

系統(tǒng)的ZIGBEE模塊采用的是CC2530芯片，CC2530使用的是8051CPU，它是一個(gè)單周期的兼容性內(nèi)核。其具有128KB字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程內(nèi)存、極其高的接受靈敏度和抗干擾能力，具備IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，芯片內(nèi)置RF內(nèi)核控制無線模塊，此外它還提供一組連接外部設(shè)備的端口，從而可以發(fā)出命令和讀取狀態(tài)，控制各執(zhí)行電路的事件執(zhí)行順序。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、STM32單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和ZIGBEE無線模塊軟件設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)使用了.NET開發(fā)平臺(tái)下的WINFORM，操作簡(jiǎn)單，界面功能豐富，可以形象生動(dòng)地顯示出水柜蓄水量。因?yàn)橛腥齻€(gè)水柜節(jié)點(diǎn)，所以首先根據(jù)串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，接收到的一串?dāng)?shù)據(jù)幀中，以字符“$”作為幀頭，緊接著是地址符，“A”、“B”、“C”依次代表一到三號(hào)水柜。確定了此數(shù)據(jù)幀是哪個(gè)水柜的信息后，緊接著把數(shù)據(jù)信息接收處理，最后接收到了結(jié)束符“#”后，說明數(shù)據(jù)幀接收完畢。數(shù)據(jù)接收完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息顯示到軟件界面。用戶也可以根據(jù)需要設(shè)定水位的上限值和下限值，低過下限值或者高過上限值都會(huì)發(fā)出警報(bào)。用戶還可以手動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)抽水機(jī)的工作，增加蓄水量。

3.2 ZIGBEE軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，首先需要配置好信道號(hào)和PANID號(hào)，節(jié)點(diǎn)ZIGBEE只有設(shè)置與協(xié)調(diào)器相同的信道和PANID號(hào)才可以加入到ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中。為了防止協(xié)調(diào)器掉電后重新上電節(jié)點(diǎn)不能加入的問題，筆者在宏定義中加入了NV_RESTORE=1的預(yù)編譯選項(xiàng)。除此之外，協(xié)調(diào)器還需要根據(jù)簇ID判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給STM32，也通過串口接收STM32的指令后發(fā)送數(shù)據(jù)包給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)控制抽水機(jī)工作。節(jié)點(diǎn)主要是采集傳感器的數(shù)據(jù)，封裝成幀后通過發(fā)送數(shù)據(jù)包的方式把信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，或者在接收到協(xié)調(diào)器的指令后通過控制繼電器通斷打開抽水機(jī)。路由器的作用是將數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)，即當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)聯(lián)系不上協(xié)調(diào)器或者與協(xié)調(diào)器連接信號(hào)較弱時(shí)，會(huì)優(yōu)先把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給附近的路由器，再

由路由器轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。

3.3 STM32軟件設(shè)計(jì)

STM32的串口收發(fā)是根據(jù)一定的幀格式完成的，幀格式例如：$**，dddd，dddd，…，（CR）（LF），$作為幀頭，**代表的是某號(hào)水柜，dddd為數(shù)據(jù)域，最后接收到回車換行（CR）（LF）后代表幀結(jié)束。為了保證數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)姆€(wěn)定，解決數(shù)據(jù)丟失的問題，在每接收完一個(gè)數(shù)據(jù)幀，都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)域進(jìn)行字符統(tǒng)計(jì)，看有沒有缺少或者多出，若與設(shè)置的數(shù)值不等則丟棄此幀，重新接收。最后將接收到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)以ZIGBEE作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，充分利用了ZIGBEE多節(jié)點(diǎn)、自組網(wǎng)、低功耗的特點(diǎn)，對(duì)多個(gè)水柜水位、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。合理放置路由器可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離監(jiān)控，加上STM32和上位機(jī)等人機(jī)交互界面，具有功能豐富、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸安全穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)還可以運(yùn)用于其它多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的場(chǎng)合里。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

龍凱思（1994－），男，壯族，廣西寧明人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于廣西民族大學(xué)。