杜 崗，吳 峰，于 紅

（1. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222000；2. 徐州理工計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究，江蘇 徐州 221000）

基于無(wú)線傳感技術(shù)的水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 崗1，吳 峰1，于 紅2

（1. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222000；
2. 徐州理工計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究，江蘇 徐州 221000）

根據(jù)康揚(yáng)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中水情測(cè)報(bào)分系統(tǒng)的需要，提出一種基于 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)的水位數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)方案。給出測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架和功能分析，并針對(duì)傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件方案設(shè)計(jì)；介紹網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中 LPC2210 與 MC13192 模塊之間 SPI 通訊實(shí)現(xiàn)過(guò)程；借助 MCGS 的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)接口函數(shù)，設(shè)計(jì)串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行后，成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)地水位數(shù)據(jù)的采集與無(wú)線傳輸，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，證明了這一方案設(shè)計(jì)的合理性。

無(wú)線傳感技術(shù)；水位測(cè)量；數(shù)據(jù)采集；ZigBee

0 引言

遵循 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，具有組網(wǎng)靈活、低成本、低功耗等特點(diǎn)的 ZigBee 技術(shù)是近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這一技術(shù)在分散區(qū)域及邊遠(yuǎn)山區(qū)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。一些中小型水電站大多位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，環(huán)境惡劣，庫(kù)區(qū)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)及電源線敷設(shè)路徑大多暴露在野外，施工、維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，且很容易破損或被老鼠等動(dòng)物破壞。但庫(kù)區(qū)水位、柵壓差、毛水頭等水文數(shù)據(jù)又是水電站機(jī)組正常運(yùn)行，大壩安全監(jiān)測(cè)所需要重點(diǎn)監(jiān)控的對(duì)象，因此，保證水位測(cè)量系統(tǒng)可靠運(yùn)行十分重要。

康揚(yáng)水電站位于青海省尖扎縣與化隆縣交界的黃河干流上，是黃河上游龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中幾個(gè)大型電站之間的川地河段上擬建的7 個(gè)中型電站的第 4 個(gè)電站。水庫(kù)正常蓄水位為高程2 033.0 m，總庫(kù)容 2 880 萬(wàn)m3，電站設(shè)計(jì)水頭 18.7 m，電站安裝 8 臺(tái) 3.55 萬(wàn)kW 貫流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為 28.4 萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量 9.92 億kW?h。水位測(cè)量盤(pán)作為電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的 1 個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置在副廠房二次盤(pán)室內(nèi)，主要功能是對(duì)上下游水位、毛水頭、攔污柵前后水位、水庫(kù)水溫等關(guān)鍵水文數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量采集[1]。在進(jìn)行水位測(cè)量盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸路徑和測(cè)量采集點(diǎn)位置的研究，提出基于 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)的水位數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)解決方案。

1 水位測(cè)量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

各水位測(cè)量點(diǎn)按照距離遠(yuǎn)近和功能分類不同，將傳感器信號(hào)引至 3 個(gè)不同的現(xiàn)地測(cè)量箱中。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)放置在 3 個(gè)測(cè)量箱中，箱體上端安裝有射頻天線；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)置在副廠房二次盤(pán)室（弱電室）內(nèi)的水位測(cè)量盤(pán)中，射頻天線安裝在盤(pán)柜上。3 個(gè)分散布置的傳感器與協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)以星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[2]。水位傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)地水位數(shù)據(jù)傳輸至水位測(cè)量盤(pán)中的 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò) RS-232 串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)量盤(pán)工控機(jī)。最后，由工控機(jī)將水位數(shù)據(jù)及報(bào)警信息通過(guò) RS-485 總線上傳至電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。各個(gè)測(cè)量點(diǎn)分布情況如下：上游水位傳感器 2 處，分布在機(jī)組進(jìn)水口閘門平臺(tái)；下游水位傳感器 2 處，分布在調(diào)壓井廊道內(nèi)；攔污柵柵前柵后水位傳感器分別布置在機(jī)組攔污柵前后；尾水處設(shè)置尾水水位傳感器。水位測(cè)量采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 水位測(cè)量采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

各組成模塊具體設(shè)計(jì)如下：

1）數(shù)據(jù)采集模塊。主要由測(cè)量參數(shù)的各種傳感器組成，測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。

2）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊采用 32 位ARM7 微處理器 LPC2210 作為 ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的處理器，是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊的重要組成部分。LPC2210 帶有 16 kB RAM，76 個(gè)通用 I/O口，12 個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳，集成有 8 通道的 10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，能夠基于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)[3]。借助LPC2210 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和豐富的引腳功能，數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后，經(jīng) SPI 口將數(shù)據(jù)傳輸至射頻模塊[4]，進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。

3）ZigBee 通信模塊。ZigBee 通信模塊主要部件是符合 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片MC13192，芯片的工作頻帶為 2.4 GHz，采用 16 通道和 250 kbit/s 的有效數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。水位數(shù)據(jù)最終通過(guò) MC13192 模塊被無(wú)線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

主控處理器采用 LPC2210，ZigBee 通信模塊采用 MC13192，工作過(guò)程與傳感器節(jié)點(diǎn)正好相反。MC13192 模塊接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 接口發(fā)送至主控處理器 LPC2210模塊[2]，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和協(xié)議打包后，經(jīng)過(guò)串口發(fā)送至水位測(cè)量屏工控機(jī)。

3 水位測(cè)量采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

水位測(cè)量采集系統(tǒng)軟件包括 MC13192 模塊與 LPC2210 模塊之間的 SPI 通信；LPC2210 與傳感器（工控機(jī)）之間，以及工控機(jī)與 485 總線之間的 UART（通用異步收發(fā)傳輸器）異步串口通信。UART 異步串口通信過(guò)程已經(jīng)非常成熟，在此只介紹LPC2210 與 MC13192 之間的 SPI 通信過(guò)程。

SPI 允許一個(gè)主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)從設(shè)備的同步通訊，從而完成數(shù)據(jù)的交換，也就是 SPI 是一種規(guī)定好的通訊方式。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是占用端口較少，一般需要 4 個(gè)引腳就可以了。4 個(gè)引腳功能如表1 所示。

數(shù)據(jù)通信時(shí)，由 SCK（時(shí)鐘控制線）提供時(shí)鐘脈沖，數(shù)據(jù)收發(fā)信號(hào)線基于此脈沖完成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)傳輸。SPI 讀寫(xiě)過(guò)程如圖 4 所示。

表1 SPI 各引腳功能

圖4 SPI 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)流程

LPC2210 與 MC13192 兩者進(jìn)行 SPI 通信操作的基本思路如下：首先對(duì) SPI 和 MC13192 及 LPC2210控制的 3 個(gè)端口進(jìn)行初始化，然后對(duì) SPI 端口進(jìn)行使能操作；完成操作后，運(yùn)行數(shù)據(jù)收、發(fā)的任務(wù)程序[6]。程序發(fā)送流程如圖 5 所示。

程序接收流程與發(fā)送流程的基本步驟是一樣的，只是在進(jìn)行 MC13192 收發(fā)模式設(shè)置時(shí)，需要將模式設(shè)置為 RX 模式。

4 串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)

現(xiàn)地水位數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)后，測(cè)量盤(pán)工控機(jī) MCGS 組態(tài)軟件由 RS-232 口從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，一方面進(jìn)行報(bào)警顯示，另一方面經(jīng) RS-485 總線上傳至集控中心端。MCGS 軟件所完成的數(shù)據(jù)采集與上傳的串口數(shù)據(jù)通訊過(guò)程必須要依靠串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。借助于 MCGS 軟件提供的一套驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)接口，使用 VB 高級(jí)語(yǔ)言 OLE 接口功能，可以方便地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的個(gè)人開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)完成后，驅(qū)動(dòng)程序以 DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）格式掛載于 MCGS 軟件環(huán)境中，并與 MCGS 運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)，運(yùn)行速度快，可靠性高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)水位數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩6]。驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)流程如圖 6 所示。

圖5 程序發(fā)送流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有測(cè)點(diǎn)布置靈活、數(shù)據(jù)傳輸不依靠物理線路、功耗低的特點(diǎn)，對(duì)于一定范圍內(nèi)分散區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，采用無(wú)線傳感技術(shù)不僅降低了設(shè)備安裝維護(hù)的成本，也避免了因?yàn)榫€路損壞造成系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。在水位數(shù)據(jù)采集過(guò)程應(yīng)用無(wú)線傳感技術(shù)是近年來(lái)的研究方向，康揚(yáng)水電站水位數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是首次嘗試將 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用在水電站的水文數(shù)據(jù)測(cè)量環(huán)節(jié)中。康揚(yáng)水電站的地址位置、電站規(guī)模及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布置情況非常適合采用無(wú)線傳輸技術(shù)，本設(shè)計(jì)中，使用 ARM7 微處理器 LPC2210和具有 ZigBee 射頻收發(fā)功能的芯片 MC13192 設(shè)計(jì)傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際運(yùn)行效果良好。

由于 ZigBee 無(wú)線傳感技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是依靠無(wú)線射頻信號(hào)傳輸?shù)?，因此抗?qiáng)電磁波干擾能力較差，這也是目前對(duì) Zigbee 技術(shù)的研究與應(yīng)用基本僅限于非工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)主要原因；另外由于工作頻率和功耗的限制，不適宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸。為此在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量采取抗電磁干擾的措施，同時(shí)在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡量避免接近強(qiáng)電磁干擾源；也可結(jié)合 GPRS 和 Wi-Fi 等其它能支持遠(yuǎn)程接入的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，如設(shè)計(jì) ZigBee-GPRS或 ZigBee-Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)，既充分利用 ZigBee 的無(wú)線數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點(diǎn)，又解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯?wèn)題。

圖6 串口驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)流程圖

[1] 李守軍，徐立中，于紅. 拉西瓦水電站水位測(cè)量綜合監(jiān)控系統(tǒng)信息集成設(shè)計(jì)[J]. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2010，34 (1):72-74.

[2] 薄英強(qiáng)，歐陽(yáng)名三，李業(yè)亮，等. 基于 ZigBee 的礦井水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 工礦自動(dòng)化，2014，40 (10): 57-60.

[3] 肖軍，邵景峰，馬輝，等. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的設(shè)計(jì) [J]. 可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2006 (10): 70-72.

[4] 馬福昌，馮道訓(xùn)，張英梅，等. ZigBee 和 GPRS 技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 水利水文自動(dòng)化，2008 (1): 1-4.

[5] 吳曉然. 基于 MC13192 的 ZigBee 系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20 (4): 19-20.

[6] 杜崗，丁磊，于紅，等. 基于 ZigBee 技術(shù)的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù)，2014 (6): 15-18.

(1. Lianyungang Vocational and Technical College, Lianyungang 222000, China;

2. School of Information and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou 221008, China)

Application of WSN Technology in Water Level Acquisition System

DU Gang1, WU Feng1, YU Hong2

Aimed at the need of the water regime forecasting system of kangyang hydropower station, the water level acquisition system is proposed based on ZigBee WSN technology. The integral framework and functional analysis for the measuring system are put forward. And the hardware scheme of the sensor and coordinator node is designed. Then, the SPI communication process between the LPC2210 and the MC13192 module are introduced. Utilizing the MCGS interface function, the serial device driver is designed. After putting into practical operation, the system successfully realizes the local water level data acquisition and wireless transmission. It proves the rationality of the scheme design by stable and reliable running.

WSN; water level measuring; data acquisition; ZigBee

TP212；P335

A

1674-9405(2015)04-0035-04

2014 -09-09

杜 崗（1981－），男，山東日照人，碩士，主要研究方向：水電自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)控制。