基于ZigBee的水库水位监测及远程控制系统

摘要：国内水库水位测量大多采用人工测量的方法，或是通过GPRS实现远程监测。人工方法测量存在人身安全问题，测量数据的不准确性，监测的实时性较差等问题，利用GPRS对水库水位远程多点实时监控，功耗、供电等问题造成附加成本较高。系统采用STC89C52微控制器，处理传感器测得的水位数据，通过现场数码管实时显示水位信息，采用低功耗的ZigBee技术实现数据无线远程传输，监控中心通过C#编写的可视化界面实时观测水库水位信息。实验证明系统具有实时性强、数据准确、智能化高、易组网、成本低、便于安装和维护等优点，具有一定的应用价值。
关键词：水库水位监测；远程控制；ZigBee；STC89C52

0 引言
    中国水之源总量居世界第六位，人均占有水资源量仅为世界人均占有量的四分之一，合理的利用和处理水资源已成为我国现面临的一个非常重要的问题。目前，国内许多水库水位监测都是采用人工的方法，或是通过GPRS实现远程监测。人工的方法存在着测量的人身安全问题，而且还存在着数据测量的准确性问题，监测的实时性不强等问题，这严重的影响了正常的工作效率。通过GPRS实现远程监控的方法对于复杂地形或多点检测附加成本比较高。
    随着网络和通信技术的发展，人们对无线通信的要求越来越高，低功耗、远程、低速、廉价的ZigBee无线网络技术组件成为关注的焦点。为此本系统采用了单片机来处理传感器测得的水位数据并采用ZigBee技术实现数据传输，从而达到实时监测及远程控制的目的。

1 系统总体方案设计
    本系统分为上位机监控系统和下位机测控终端如图1所示。下位机测控终端实现对水库水位的实时监测功能，压力传感器采集水压力数据，经放大器、A／D转换后传输给STC89C52单片机，单片机将采集到的数据进行处理，再通过ZigBee模块实现数据的远程传送。当水库的水位超过高警戒水位或低于低警戒水位时，进行现场报警和远程报警，工作人员可以通过远程的上位机监控界面控制闸门的开启和关闭，亦可在现场通过315 MHz无线遥控器来控制闸门的启闭。

2 系统硬件设计
2．1 ZigBee模块简介
    ZigBee技术足一种近距离、低成本、低复杂度、低功耗的双向无线通信技术，介于无线标记与蓝牙之间的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、低反应时间数据和间歇性数据传输的应用，可嵌入各种系统中，实现数据无线远程传输。
2．2 模块使用注意事项
    (1)对于780 MHz、800 MHz、900 MHz频段使用时，尽量避免与433 MHz频率大功率模块混用，避免433 MHz的谐波干扰。
    (2)模块供电选择，应选择负载跟随性高的芯片作为供电的电源，要求在模块发射时，电源的跳变应小于100 mV。
    (3)工作电压必须在3. 3～3．6 V之间，否则模块会复位，不能正常工作。
    (4)如节点需一直处于唤醒状态，建议将管脚电平变为低平。
2．3 ZigBee模块外围电路设计
    本系统使用的集成ZigBee模块与单片机通信是通过串口传输数据，ZigBee网络中不同节点间的数据传输遵循ZigBee协议。外围电路如图2所示，此模块的RXD和TXD直接与单片机的P3．0和P3. 1相连接，在单片机与ZigBee模块进行通信之前对本系统的下位机的和上位机两个Zig Bee参数设置见表1，ZigBee模块参数配置都是通过AT指令利用串口调试工具进行操作。

    系统下位机采集发送数据时ZigBee模块设置为路由方式，而上位机接收的ZigBee模块设置成主模式。设置成路由方式则可以通过收发来自主节点的数据，如果进行多点的水位测量，这些节点就自动组成了一个以上位机节点为中心的一个星型的传感网络，进行数据的收发。此时处理器将处理好的水位数据通过串口发送给ZigBee模块，而这些模块则遵循ZigBee协议收发数据。需要注意的是利用串口发送数据的时间间隔最好在200 ms以上。

    为了实现ZigBee模块与上位机的通信必须要进行电平转换，采用的电平转换芯片是MAX232，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS 232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5 V单电源供电。将另一个ZigBee模块的TXD与RXD引脚分别与图2中TXD，RXD相连，就可以实现单片机与上位机的远程通信。硬件连接如图3所示。

3 系统软件设计
3. 1 测控终端软件设计
    本系统的整体软件流程罔如图4所示，其中初始化包括，中断、ADC0832、定时器和各个所用端口的初始化。

3．2 监控中心软件设计
    本系统的上位机界面是利用C#语言在Visual Studio2005编译环境下编写的一种Windows应用程序，上位机界面程序的核心就是通过对串口控件的调用编写来实现单片机与上位机的通信。
    远程上位机操作界面如图5所示，远程上位机可视化界面可进行水位的实时显示、同时还显示当前的时间值，并且可以通过此界面设置水位的高低警戒值，当超过或低于高警戒水位或低警戒水位值时进行界面显示报警，操作人员则可以通过界面的开闸，关闸按钮控制水库闸门的开启和关闭。

4 结语
    试验证明，本系统具有通用性好，集成度高，成本低，可扩展性好，智能化高，实时性好，易于维护等优点，可用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统及远程控制系统。将物联网技术应用在水库水位监测及远程控制方面将对水库水位信息化、智能化管理有着重要的作用。