基于ZigBee的水庫水位監測及遠程控制系統

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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GPRS實現遠程監測。人工方法測量存在人身安全問題，測量數據的不準確性，監測的實時性較差等問題，利用GPRS對水庫水位遠程多點實時監控，功耗、供電等問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，通過現場數碼管實時顯示水位信息，采用低功耗的ZigBee技術實現數據無線遠程傳輸，監控中心通過C#編寫的可視化界面實時觀測水庫水位信息。實驗證明系統具有實時性強、數據準確、智能化高、易組網、成本低、便于安裝和維護等優點，具有一定的應用價值。
關鍵詞：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，人均占有水資源量僅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非常重要的問題。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GPRS實現遠程監測。人工的方法存在著測量的人身安全問題，而且還存在著數據測量的準確性問題，監測的實時性不強等問題，這嚴重的影響了正常的工作效率。通過GPRS實現遠程監控的方法對于復雜地形或多點檢測附加成本比較高。
隨著網絡和通信技術的發展，人們對無線通信的要求越來越高，低功耗、遠程、低速、廉價的ZigBee無線網絡技術組件成為關注的焦點。為此本系統采用了單片機來處理傳感器測得的水位數據并采用ZigBee技術實現數據傳輸，從而達到實時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。下位機測控終端實現對水庫水位的實時監測功能，壓力傳感器采集水壓力數據，經放大器、A／D轉換后傳輸給STC89C52單片機，單片機將采集到的數據進行處理，再通過ZigBee模塊實現數據的遠程傳送。當水庫的水位超過高警戒水位或低于低警戒水位時，進行現場報警和遠程報警，工作人員可以通過遠程的上位機監控界面控制閘門的開啟和關閉，亦可在現場通過315 MHz無線遙控器來控制閘門的啟閉。


2 系統硬件設計
2．1 ZigBee模塊簡介
ZigBee技術足一種近距離、低成本、低復雜度、低功耗的雙向無線通信技術，介于無線標記與藍牙之間的雙向無線通信技術。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行數據傳輸以及典型的有周期性數據、低反應時間數據和間歇性數據傳輸的應用，可嵌入各種系統中，實現數據無線遠程傳輸。
2．2 模塊使用注意事項
(1)對于780 MHz、800 MHz、900 MHz頻段使用時，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，要求在模塊發射時，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，否則模塊會復位，不能正常工作。
(4)如節點需一直處于喚醒狀態，建議將管腳電平變為低平。
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串口傳輸數據，ZigBee網絡中不同節點間的數據傳輸遵循ZigBee協議。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模塊進行通信之前對本系統的下位機的和上位機兩個Zig Bee參數設置見表1，ZigBee模塊參數配置都是通過AT指令利用串口調試工具進行操作。


系統下位機采集發送數據時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收發來自主節點的數據，如果進行多點的水位測量，這些節點就自動組成了一個以上位機節點為中心的一個星型的傳感網絡，進行數據的收發。此時處理器將處理好的水位數據通過串口發送給ZigBee模塊，而這些模塊則遵循ZigBee協議收發數據。需要注意的是利用串口發送數據的時間間隔最好在200 ms以上。

為了實現ZigBee模塊與上位機的通信必須要進行電平轉換，采用的電平轉換芯片是MAX232，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的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ZigBee模塊的TXD與RXD引腳分別與圖2中TXD，RXD相連，就可以實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、定時器和各個所用端口的初始化。

3．2 監控中心軟件設計
本系統的上位機界面是利用C#語言在Visual Studio2005編譯環境下編寫的一種Windows應用程序，上位機界面程序的核心就是通過對串口控件的調用編寫來實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行水位的實時顯示、同時還顯示當前的時間值，并且可以通過此界面設置水位的高低警戒值，當超過或低于高警戒水位或低警戒水位值時進行界面顯示報警，操作人員則可以通過界面的開閘，關閘按鈕控制水庫閘門的開啟和關閉。
4 結語
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，實時性好，易于維護等優點，可用于多種監測環境的多模式水位自動監測系統及遠程控制系統。將物聯網技術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、智能化管理有著重要的作用。