基于ZigBee的排水泵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋海強，董錦旗，李 巖

（1. 天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350；2. 天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300181）

基于ZigBee的排水泵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋海強1，董錦旗1，李 巖2

（1. 天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350；2. 天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300181）

排水泵站擔負著城市日常污水排放和汛期排澇的重任，對其運行工況進行實時監(jiān)控勢在必行。針對當前排水泵監(jiān)測系統(tǒng)布線繁瑣、維護困難及成本高的現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的排水泵監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由計算機和協(xié)調(diào)器組成?；?Z-Stack 編寫應(yīng)用程序，根據(jù)監(jiān)測要求設(shè)計協(xié)調(diào)器、路由器及 5 種終端節(jié)點的硬件。實驗結(jié)果表明：設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足現(xiàn)場泵站監(jiān)測要求，可作為排水泵監(jiān)測的一種低成本解決方案。

水泵監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530 節(jié)點

0 引言

排水泵站擔負著城市日常污水排放和汛期排澇的重任，特別是降雨頻繁的城市，排水泵站顯得尤為重要。以京津冀地區(qū)為例，該地區(qū)地處海灤河流域中下游，面積為 1.99×105km2，降雨主要集中在汛期的 7—8月，多年平均年降水量在 550 mm 左右[1]。近年來頻發(fā)暴雨預警，特別是 2012 和 2016年，連發(fā)多次暴雨橙色預警，局部地區(qū)發(fā)布暴雨紅色預警。積水不能及時排除會給城市交通造成極大影響，甚至形成內(nèi)澇災(zāi)害，災(zāi)害發(fā)生時，交通受阻，房屋進水，嚴重影響了市民的生活與安全[2]。僅2016年 7月下旬，京津兩市轄區(qū)數(shù)百座排水泵站全部開啟，向涼水河、清河、獨流減河、海河、永定新河等行洪河道排水。鑒于排水泵站的重要性，對泵站運行工況進行實時監(jiān)控勢在必行。

當前大多數(shù)水泵監(jiān)測系統(tǒng)采用的是有線方式，即各傳感器通過電纜與控制器連接，大多以 PLC 為核心構(gòu)建各現(xiàn)地監(jiān)控單元，這種監(jiān)測方式存在布置電纜繁瑣、維護困難等缺點。

ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee 模塊具備中繼路由和終端設(shè)備功能。其中協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負責啟動建立網(wǎng)絡(luò)，接收并處理各個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，每個協(xié)調(diào)器可連接多達 255 個節(jié)點；路由器主要負責找尋、建立路由信息；終端設(shè)備支持自組網(wǎng)，自恢復能力強，并可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文[3]。目前，ZigBee 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能家居、智慧能源、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。經(jīng)過研究，基于 ZigBee 技術(shù)，開發(fā)了一種排水泵監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

排水泵監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于排水泵運行參數(shù)的監(jiān)測，主要由上位機、協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端采集節(jié)點和路由器 4 部分組成。由終端節(jié)點采集排水泵相關(guān)運行數(shù)據(jù)并經(jīng)路由器上送到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口實現(xiàn)與上位機的通信，進行實時監(jiān)控。在排水泵站監(jiān)測中，由于各個監(jiān)測對象布置分散、間隔較遠，且 ZigBee 的傳輸距離容易受到障礙物的影響，因此，各終端設(shè)備需要經(jīng)路由器才能將數(shù)據(jù)可靠地發(fā)送至協(xié)調(diào)器內(nèi)。路由器負責延長無線傳輸?shù)木嚯x。上位機監(jiān)測軟件采用 VC++ 編寫，監(jiān)測軟件通過串口與協(xié)調(diào)器進行通信。

表征泵站運行工況的重要參數(shù)有水泵電壓、電流、出口壓力、電動機溫度、泵站水位、排水量等。為此，排水泵站數(shù)據(jù)采集節(jié)點安放在泵站現(xiàn)場，對以上幾類數(shù)據(jù)進行多點采集，泵站監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。采集節(jié)點主要有壓力、水位、溫度、電力參數(shù)及流量等節(jié)點。

圖 1 排水泵站監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)點硬件設(shè)計

本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點 3 類節(jié)點。3 類節(jié)點均采用目前主流的ZigBee 芯片 CC2530，CC2530 是用于 ZigBee 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以很低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[4]。為便于本系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，直接選用市場上性能穩(wěn)定的 ZigBee 射頻模塊，其優(yōu)點在于該類模塊已將全部 IO 口引出供用戶使用，只需在此基礎(chǔ)上開發(fā) 3 類節(jié)點的應(yīng)用功能即可。

2.1 協(xié)調(diào)器、路由器設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的核心，所有數(shù)據(jù)最終都返回到協(xié)調(diào)器，除了 ZigBee 射頻模塊，還包括串行接口及電源轉(zhuǎn)換等模塊。由于協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機的通信是通過 RS-232 串口實現(xiàn)的，因此硬件部分需要串口連接器，一般采用 9 針串口，以便將 RS-232 電平轉(zhuǎn)換為 TTL 電平，所選轉(zhuǎn)換芯片為MAX3232E，將 RXD0，TXD0 分別與 9 針串口的第 3 和 2 管腳相連。由于協(xié)調(diào)器放置在監(jiān)控上位機附近，所以，電源轉(zhuǎn)換電路可選用 5 V 的 AC/DC 電源適配器，由 220 V 市電提供，再經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片輸出 3.0 V 電壓，保證 CC2530 的 2.0～3.6 V 工作電壓供給。

路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成類似，所實現(xiàn)的功能差異主要由 ZigBee 協(xié)議定義和區(qū)分。對于路由器數(shù)量，由于使用情況受到現(xiàn)場環(huán)境影響，需根據(jù)傳輸距離及監(jiān)測節(jié)點多少而定。路由器設(shè)置主要遵循以下原則：

1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用需要可以組織成星型、簇狀及復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 3 種拓撲結(jié)構(gòu)。星型拓撲結(jié)構(gòu)的所有通信都要經(jīng)過協(xié)調(diào)器支配，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)中的路由器是沒有路由作用的；簇狀網(wǎng)絡(luò)由多個簡單的星型網(wǎng)絡(luò)組成，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，適合點對多點、距離相對近的應(yīng)用。綜合考慮，選擇具備組成簇狀網(wǎng)絡(luò)功能的路由器，且一級路由器即可實現(xiàn)該組網(wǎng)應(yīng)用。

2）傳輸距離要求。在該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，由于現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布置比較分散，而且部分監(jiān)測節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間存在障礙物遮擋，因此，需要通過路由轉(zhuǎn)發(fā)功能擴大網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。

2.2 溫度采集節(jié)點設(shè)計

溫度傳感器采用 K 型熱電偶。轉(zhuǎn)換芯片采用MAX6674，可以進行冷端溫度補償，并將 K 型熱電偶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可測量從 0～127.8 ℃ 的熱電偶溫度，可以滿足水泵電動機溫度的測量要求。數(shù)據(jù)輸出為 10 位分辨率、SPI 兼容、只讀格式[5]。MAX6674 提供完備的硬件解決方案，除了 1 個旁路電容，無需任何外部元件。每片 MAX6674 通過 SPI總線與 CC2530 連接[6]。電動機溫度測量電路原理圖如圖 2 所示。

圖 2 溫度測量電路原理圖

2.3 水位、壓力采集節(jié)點設(shè)計

由于所選用的水位計和水泵出口壓力傳感器均是 4～20 mA 電流輸出型，因此設(shè)計了轉(zhuǎn)換電路，通過精密電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后進行 A/D 轉(zhuǎn)換，工程量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)由傳感器信號采集程序?qū)崿F(xiàn)。CC2530 內(nèi)部集成了模數(shù)變換器（ADC）功能，可根據(jù)需要配置為 7～12 位的分辨率，能夠滿足 AD 轉(zhuǎn)換要求。此外，由于水位計需要 DC 24 V 供電，特將本節(jié)點也設(shè)計為 DC 24 V 供電，好處在于不必再去考慮節(jié)點的低功耗設(shè)計?？紤]到 CC2530 需要 2.0～3.6 V 供電，只需加入 DC-DC 降壓芯片即可。

2.4 電力參數(shù)、流量采集節(jié)點設(shè)計

電流、電壓的測量采用智能電表完成，排水量選用超聲波流量計采集，由于二者均具有 RS-485 通訊接口，且都支持 Modbus 通訊協(xié)議，因此，設(shè)計了可采集 RS-485 信號的通用終端采集節(jié)點。為實現(xiàn)CC2530 和該類儀表的通訊，將 CC2530 的一個串行通信接口轉(zhuǎn)化為 RS-485 通訊接口，編寫相應(yīng)的通訊程序，實現(xiàn)對電力參數(shù)及流量值的數(shù)據(jù)讀取操作。

各類終端采集節(jié)點所用到的傳感器、信號類型及接口/采樣方式等詳細信息如表 1 示。

表 1 各類終端采集節(jié)點監(jiān)測參數(shù)

3 Z-Stack 程序設(shè)計

Z-Stack 是含有 ZigBee 協(xié)議的嵌入式操作系統(tǒng)。Z-Stack 已經(jīng)編寫了從 MAC 層到 ZigBee 設(shè)備應(yīng)用層之間的任務(wù)處理函數(shù)，一般情況下不需修改這些函數(shù)，只需按照實際需要編寫應(yīng)用層的任務(wù)及事件處理函數(shù)[7]。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的應(yīng)用層程序功能如圖 3 所示。

圖 3 系統(tǒng)應(yīng)用層程序框架

由于 Modbus-RTU 協(xié)議在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較廣，而且協(xié)議的實現(xiàn)及應(yīng)用都十分簡單，因此協(xié)調(diào)器采用該協(xié)議與上位機進行通訊。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，各終端節(jié)點即可加入網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送綁定請求到協(xié)調(diào)器，綁定成功后便可周期性采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器中。各終端采集模塊的主要程序流程如圖 4所示。

圖 4 終端采集模塊程序流程圖

上位機監(jiān)測軟件采用 VC++ 編寫，主要編寫了與 Modbus-RTU 協(xié)議設(shè)備通訊的程序，因此可與協(xié)調(diào)器進行通訊[8]。監(jiān)測軟件主要有參數(shù)顯示、趨勢曲線、報警、數(shù)據(jù)儲存、報表和查詢等功能。

4 系統(tǒng)試驗和結(jié)論

排水泵監(jiān)測系統(tǒng)在某排水泵站進行了大量實地試驗，鑒于 CC2530 片上 AD 轉(zhuǎn)換器的精度限制，溫度、水位、壓力的采集周期定為 3 s，電力參數(shù)、流量的采集周期定為 2 s。試驗過程中，將各 ZigBee 設(shè)備放置在水泵監(jiān)測現(xiàn)場，部分需要放置在廠房外的設(shè)備由于受到廠房墻壁的影響，房屋外的采集設(shè)備無法將數(shù)據(jù)正常發(fā)送到協(xié)調(diào)器內(nèi)，因此需在合適位置放置 1 個路由器。同時，為了避免監(jiān)控室（放置有上位機）墻壁的影響，將協(xié)調(diào)器放在監(jiān)控室外，通過 RS-232 與上位機連接。經(jīng)過數(shù)小時的連續(xù)實驗，結(jié)果表明：數(shù)據(jù)能夠正常發(fā)送到上位機內(nèi)，傳輸過程丟包現(xiàn)象極少，丟包率 ＜ 0.1%。通過上位機隨機采集了 100 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均在 5 s 內(nèi)全部發(fā)送至上位機。特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。如果采用精度更高的傳感器、外置分辨率更好的 AD 轉(zhuǎn)換器，可以提高采集精度。

5 結(jié)語

排水泵監(jiān)測系統(tǒng)利用 ZigBee 組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對排水泵站運行工況進行監(jiān)測。實驗結(jié)果顯示：通過節(jié)點、參數(shù)的恰當設(shè)置，系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運行，通信質(zhì)量良好，設(shè)計功能能夠滿足現(xiàn)場泵站監(jiān)測要求，與傳統(tǒng)的基于 PLC 的有線監(jiān)測方法相比，具有安裝容易，使用靈活，成本較低，擴展性好等

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Design of drainage pumping monitoring system based on ZigBee

SONG Haiqiang1, DONG Jinqi1, LI Yan2
(1.Tianjin Vocationaland Technical College of Mechanicsand Electricity, Tianjin 300350, China；2. Tianjin Lonwin Tech, Inc. Tianjin 300181, China)

Drainage pumping station is responsible for the city's daily sewageand flood discharge. So it is necessary to monitor the pump running condition in real time. Aimingat the current situation of wiring complexity, maintenance difficultlyand high cost of the drainage pump monitoring systems, it designsa drainage pump monitoring system based on ZigBee technology. The system mainly consists of host computerand coordinator. The Application program is compiled based on Z-Stack,and the coordinator，routersand hardware of five kinds of terminal nodesare designed to satisfy the monitoring requirements. The results show that: the designed wireless sensor network monitoring system is stableand reliable,and meets the monitoring requirements of field pumping station, can be usedasa low-cost solution for drainage pump monitoring.

drainage pump monitoring; wireless sensor network; ZigBee; CC2530 node

TV675

A

1674-9405(2017)02-0038-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.008

2016-11-13

宋海強（1985-），男，河北張家口人，工程師，主要從事水利自動化、信息化等研究和應(yīng)用工作。