陳 波,徐偉強

(浙江理工大學信息學院,杭州 310018)

基于無線傳感網(wǎng)絡和GPRS的水位無線監(jiān)測系統(tǒng)

陳 波,徐偉強

(浙江理工大學信息學院,杭州 310018)

傳統(tǒng)水位監(jiān)測需要人工測量,存在測量不方便、不迅速,數(shù)據(jù)又難以統(tǒng)計等諸多問題。系統(tǒng)采用SI1000控制器作為無線傳感網(wǎng)絡的終端節(jié)點,處理水位傳感器采集到的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過EZMAC協(xié)議實現(xiàn)無線傳輸給中心節(jié)點,中心節(jié)點將數(shù)據(jù)打包并通過GPRS遠程傳輸,監(jiān)控中心實現(xiàn)了多點水位的實時監(jiān)測、報警、數(shù)據(jù)存儲、地圖顯示等功能。實驗證明系統(tǒng)監(jiān)測分布位置廣、精度高、傳輸距離遠、能實時監(jiān)控水位信息等特點。

無線傳感網(wǎng)絡; GPRS; 水位監(jiān)測; 無線傳輸; 上位機

0 引 言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,傳統(tǒng)水位監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足人們要知道實時水位信息的需求。在水位動態(tài)監(jiān)測方面,我國在“十五”期間自主研制了地下水位動態(tài)監(jiān)測儀器WS-1040,該儀器目前已經(jīng)在國內(nèi)16個省市中應用。WS-1040主要是由壓力/溫度復合式測量探頭,將水壓信號和水溫信號轉變?yōu)殡娦盘?通過電纜與主機相連,主機采用單片機控制,可以定期通過數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)調(diào)入計算機中[1]。目前水位監(jiān)測尚未完全實現(xiàn)自動化采集,部分環(huán)境惡劣地區(qū)還存在著無法采用傳統(tǒng)人工測量方法監(jiān)測水位信息,這一方面給水資源的優(yōu)化配置帶來了難題,另一方面由于不能及時的預警洪水等自然災害,給人民群眾的生命和財產(chǎn)造成巨大的損失。因此本文研究設計一種水位無線監(jiān)測系統(tǒng),能對水資源的優(yōu)化配置提供精確的數(shù)據(jù)支持,并且對一定區(qū)域內(nèi)的水位信息實現(xiàn)實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢等,尤其是針對突發(fā)水災有預警功能,使管理人員能夠及時做出處理,能夠有效降低突發(fā)自然災害對于人民財產(chǎn)所帶來的損失。

1 系統(tǒng)方案設計

水位無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由5部分組成:水位測量模塊、水位終端節(jié)點模塊、水位中心節(jié)點模塊、GPRS模塊、遠程監(jiān)控中心。

靜壓液位傳感器通過測量水位產(chǎn)生的靜壓力來確定液位高度,將壓力轉換成電壓信號,通過A/D轉換后將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳輸給SI1000終端節(jié)點進行分析和處理。終端節(jié)點將處理后的數(shù)據(jù)通過SI4432無線模塊發(fā)送給SI1000中心節(jié)點。中心節(jié)點按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給GPRS模塊,GPRS通過配置COMWAY協(xié)議與遠程監(jiān)控中心通信,監(jiān)控中心解析數(shù)據(jù)包中的信息,從而實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的遠程傳輸。當水位高度超過警戒水位時,監(jiān)控中心軟件實現(xiàn)報警功能。水位無線監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 水位無線監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

2 水位終端節(jié)點設計

水位終端節(jié)點設計是整個系統(tǒng)的基礎。它主要由靜態(tài)液壓傳感器,24VDC電源,SI1000節(jié)點,220VAC轉3.3VDC電源,SI4432無線模塊,定時器模塊,存儲器模塊以及串口模塊等構成。具體的水位終端節(jié)點如圖2所示。

圖2 水位終端節(jié)點設計

水位終端節(jié)點使用SI1000作為處理器,通過靜壓液位傳感器將水位信號轉換為電信號,通過AD采集模擬信號轉換為數(shù)字信號交給SI1000控制器。控制器負責處理水位數(shù)據(jù),通過SI4432進行網(wǎng)絡傳輸。定時器模塊主要負責AD采樣頻率控制以及定時將SI1000節(jié)點從低功耗狀態(tài)中喚醒。串口模塊主要負責平時現(xiàn)場調(diào)試與觀察。

2.1 靜壓液位傳感器

靜壓液位傳感器又叫做投入式液位變送器。它采用壓阻式壓力傳感器作為測量元件,經(jīng)過高可靠性的放大處理電路及精密溫度補償,將被測介質(zhì)的表面壓力轉換為標準的電壓或電流信號。它采用先進電路處理技術,性能穩(wěn)定,靈敏度高,激光調(diào)阻溫度補償,范圍寬,抗腐蝕,適于多種介質(zhì)。它主要應用在工業(yè)現(xiàn)場液位測量與控制、城市供水及污水處理、石油、化工、電廠、水文監(jiān)測、水庫、大壩等液位的測量與控制。

該傳感器最高可測量200 m水深,準確度在0.2%FS,供電電源24VDC,輸出信號0～5 V,電壓與水深呈線性關系。使用安裝方便,直接投入水中即可。

靜壓液位傳感器的電路較簡單。與其相連的具體只有3根線,1根24VDC電源線,1根GND線,還有一根信號輸出線,用來連接SI1000節(jié)點的AD模塊輸入口。由于液位深度和信號輸出呈現(xiàn)線性關系,故液位高度就是模擬信號的電壓值。精度由于傳感器自身原因在0.2%FS區(qū)間,而AD模塊采用的是10位逐次逼近寄存器,也就是說它可以精確到VREF/1024=3.3 V/1 024=3.2 mV,轉換成高度為3.2 mm。

2.2 靜態(tài)液位傳感器實驗及分析

本文實驗中,在敞口容器中加入一定量的水,靜態(tài)液壓傳感器投放在容器中,將測得的數(shù)據(jù)通過串口在電腦中顯示出來,然后過段時間往水桶中加水,再次測量數(shù)據(jù)。具體裝置使用如圖3所示,測量結果見表1所示。

圖3 靜態(tài)液位傳感器測量水位示意

表1 測量水位結果

從表1中可以看出,靜態(tài)液位傳感器測量的水位誤差在1 cm之內(nèi),能夠滿足水位測量的精度需求。

2.3 SI1000控制器

SI1000是Silicon Labs公司生產(chǎn)的集成了MCU(C8051F930)和RF(SI4432)的射頻控制芯片[2]。它能在超低電壓0.9 V下工作,同時它采用流水線結構,大大縮短了指令的執(zhí)行周期,而且片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和數(shù)字外設。MCU中的外設包括可編程增益放大器、A/D轉換器、D/A轉換器、UART、定時器等等。該MCU有一個特點就是系統(tǒng)可以自由分配I/O口功能,利用交叉開關來控制數(shù)字功能的引腳分配,定義引腳功能,方便用戶配置端口。SI4432理論上具有超遠的傳輸距離2 kM,通訊頻段在433 MHz。在使用SI4432收發(fā)器時候,TX和RX引腳可以直接相連。它在使用最高輸出功率時候,要使用無線RF開關芯片分別連接到天線。SI4432還具有內(nèi)置天線分集支持,在數(shù)據(jù)包開始接收的時候,芯片對兩個天線的接收信號強度進行評估,并使用較強的一個來接收數(shù)據(jù)包的剩余部分,這樣大大提高了接收器的性能。因此,它性價比極高,用來組建星形網(wǎng)絡非常合適。SI1000電路硬件設計部分如圖4所示。

圖4 SI1000硬件部分電路

圖4中,MCU通過GPIO_0,GPIO_1,GPIO_2這3個內(nèi)部引腳實現(xiàn)SPI協(xié)議來控制射頻芯片SI4432。32.768 kHz的RC振蕩器用于定時喚醒MCU,這樣就能在低功耗模式下喚醒MCU。

2.4 220VAC轉3.3VDC電路

由于SI1000的工作電壓要求3.3VDC,故設計該電源模塊。如下圖5所示。

圖5 220VAC轉3.3VDC電源模塊

電源轉換電路主要包括LB03,SPX3819等。其中LB03是金升陽公司提供的電源模塊,主要功能是將220VAC轉換為5VDC,同時具有低紋波、低噪聲、效率高、過載保護等優(yōu)點。SPX3819在本電路的主要功能是將5VDC轉換成3.3VDC。本電路加上10 μF電容是用于低頻濾波,0.1 μF電容用于濾除高頻脈沖。

2.5 水位終端節(jié)點軟件設計

圖6 水位終端節(jié)點軟件流程

3 水位中心節(jié)點設計

水位中心節(jié)點設計包括SI1000控制器、串口電路、GPRS模塊、電源模塊、存儲模塊以及定時器模塊等。水位中心節(jié)點具體設計如圖7所示。

圖7 水位中心節(jié)點設計

水位中心節(jié)點中使用SI1000作為處理器,利用SPI協(xié)議從SI4432無線模塊中讀取水位數(shù)據(jù),將水位數(shù)據(jù)集中處理過后,通過串口模塊傳輸給GPRS模塊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸,遠程監(jiān)控中心讀取數(shù)據(jù)實時顯示出來。

3.1 EZMAC協(xié)議

EZMAC是適用于嵌入式系統(tǒng)無線MCU的無線通信軟件。它是基于C語言的MAC層協(xié)議,可以和第三方MCU建立低功耗的無線傳感網(wǎng)絡[3]。EZMAC通過兩個中斷來實現(xiàn)狀態(tài)機的轉移。簡化狀態(tài)機示意圖如圖8所示。初始化過后,狀態(tài)機處于睡眠模式下。在該模式下,RF硬件電路完全關閉。通過發(fā)送喚醒命令后,狀態(tài)機切換到空閑模式。在該模式下等待其他命令。當發(fā)送命令被發(fā)送后,狀態(tài)機進入接收模式,載波偵聽每個發(fā)送數(shù)據(jù)包。當發(fā)送數(shù)據(jù)完之后,狀態(tài)機自動返回空閑模式[4]。

圖8 簡化狀態(tài)機框示意

3.2 串口模塊電路

由于GPRS接口是采用RS232串口,為了實現(xiàn)SI1000與GPRS通信,必須將SI1000的UART接口TTL電平轉換成RS232電平。本系統(tǒng)中采用MAX232作為電平轉換芯片，硬件電路如圖9所示。

圖9 電平轉換電路

該電路中MAX232是專為通信接口設計的,特別適用于低功耗供電系統(tǒng),速率高達1 Mbps,利用4個1 μF電容即可實現(xiàn),電路簡單,成本較低。

3.3 GPRS模塊

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術,具有連接速度快、傳輸速率高,能夠?qū)崟r在線,流量計費等特點。系統(tǒng)采用的是北京天同誠業(yè)科技有限公司的一款WG-8010 GPRS,該GPRS采用的是標準的RS232串行通信接口,經(jīng)GPRS網(wǎng)絡與能聯(lián)網(wǎng)的PC連接。COMWAY無線串口軟件能與GPRS配合使用,從而建立遠程串口設備和用戶計算機之間的無線通信信道,該無線通信信道是基于COMWAY Data-Server集群服務器系統(tǒng),無需公網(wǎng)配置IP地址和網(wǎng)絡端口映射和動態(tài)域名,等于擁有無限延長的串口線,實現(xiàn)用戶現(xiàn)場設備和計算機中應用程序之間的無線對接,只需要專注于應用系統(tǒng)的搭建[5]。GPRS示意圖如下圖10所示。

圖10 GPRS示意

3.4 水位中心節(jié)點軟件設計

水位中心節(jié)點接收來自水位終端節(jié)點傳來的應答信號,連接成功后水位中心節(jié)點進入空閑模式,讀出發(fā)送節(jié)點ID和數(shù)據(jù)包,同時水位中心節(jié)點要負責將水位數(shù)據(jù)通過RS232傳輸給GPRS模塊,節(jié)點狀態(tài)再重新進入接收模式。水位中心節(jié)點程序流程如圖11所示。

圖11 水位中心節(jié)點軟件流程

3.5 通信用戶層協(xié)議

數(shù)據(jù)發(fā)送方和數(shù)據(jù)接收方需要按照約定的用戶層協(xié)議發(fā)送格式,這樣方便程序開發(fā),同時也可以隱藏一些不必要顯示的信息。用戶層協(xié)議具體定義見表2,該定長數(shù)據(jù)包包含了包頭、地址、數(shù)據(jù)、校驗信息。

表2 用戶層協(xié)議

該協(xié)議中需要特別注意的是在幀數(shù)據(jù)或幀校驗中如果出現(xiàn)某個字節(jié)等于幀頭或者幀尾,則將此幀轉化為兩個字節(jié),其中一個字節(jié)為0×1a,另一個字節(jié)為該幀減去0×1a,例如0×36轉化為0×1a,0×1c。

4 遠程監(jiān)控中心軟件設計

遠程監(jiān)控中心軟件是整個系統(tǒng)的核心組成部分,它主要負責監(jiān)控和管理整個無線監(jiān)測系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中,監(jiān)控中心主要通過接收和發(fā)送串口數(shù)據(jù)來實現(xiàn)與GPRS模塊之間的通信。監(jiān)控中心主要實現(xiàn)以下功能:

a) 通過GPRS接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

b) 解析接收到的水位數(shù)據(jù),將水位信息在水位變化曲線圖中顯示出來。

c) 可以設置警戒水位值,當水位超過警戒水位時,左側的狀態(tài)燈就會閃爍報警。

d) 可以在地圖中顯示水位節(jié)點的分布情況。

e) 顯示當天的最高水位值。

f) 監(jiān)控中心軟件通過ODBC連接ACCESS數(shù)據(jù)庫實時存儲當前時間和數(shù)據(jù)。

g) 可以實現(xiàn)多個對象的監(jiān)控和實時顯示。

監(jiān)控中心軟件流程如圖12所示。

圖12 監(jiān)控中心流程

監(jiān)控中心軟件程序設計主要包括UI界面模塊、串口模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、實時界面顯示模塊、地圖顯示模塊、水位數(shù)據(jù)處理模塊以及警戒水位警報模塊。

遠程監(jiān)控中心軟件使用的是VC++6.0語言編寫,利用微軟提供的串口編程控件MSComm,為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法[6],它提供了標準通信命令接口,允許與其他設備建立串口連接。在初始化串口時,需要配置其波特率、端口號、輸入進位方式、緩沖區(qū)大小等等。在串口消息處理函數(shù)中,先讀接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),并對其進行CRC校驗,校驗正確后,判斷數(shù)據(jù)是否超過警戒水位,若超過則水位狀態(tài)的燈變亮報警。若超過歷史最高水位,則更新歷史最高水位,同時將數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中,并在繪圖區(qū)繪制出實時水位信息。

5 結 語

系統(tǒng)結合了無線傳感網(wǎng)絡和GPRS兩種無線通信手段,具有靈活組網(wǎng)、節(jié)約成本、降低功耗、反應迅速、穩(wěn)定可靠、易于維護等優(yōu)點。系統(tǒng)為水資源優(yōu)化配置提供了可靠、實時、精確的數(shù)據(jù),管理人員能夠第一時間了解到水位變化情況,及時做出防范措施來降低損失,同時也解決了惡劣環(huán)境下人員難以到達地區(qū)的水位監(jiān)測問題,具有很廣闊的市場前景[7]。

[1] 張 磊.地下水動態(tài)自動監(jiān)測儀的研制[D].長春: 吉林大學,2013.

[2] 包海濤.超低壓SoC處理器C8051F9xx應用解析[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2010: 14-15.

[3] 天同誠業(yè).Comway無線串口配合組態(tài)軟件的應用[EB/OL].[2013-03-14].http: //www.ekom.cn/article-2191.html.

[4] 劉希若,羅志祥.EZMac協(xié)議原理與應用[J].計算機與數(shù)字工程,2008 (7): 98-99.

[5] 劉希若.基于 IA4420的EZMac協(xié)議研究與實現(xiàn)[D].武漢: 華中科技大學,2007.

[6] 龔建偉,熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2004: 10-13.

[7] 王曉亮,容 會,王 敏.基于WSN和GPRS融合的大盈江水系河流生態(tài)流量監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].昆明冶金高等?？茖W校學報,2013,29(3): 25-30.

(責任編輯：陳和榜)

Wireless Water Level Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks and GPRS

CHENBo,XUWei-qiang

(School of Information Science and Technology,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China)

The traditional water level monitoring requires manual measurement,so there are some problems such as measure inconvenience,time-consuming and data statistics difficulty.The microcontroller SI1000 as terminal node of wireless sensor networks is used to process the data from water level sensor.The data achieves wireless transmission to the central node via EZMAC protocol.The central node packs the data and transmits the data remotely via GPRS.The monitoring center achieves real-time monitoring of multiple water levels,alarm,data storage,map display and other functions.The experiment shows that the system has many characteristics such as wide monitoring distribution positions,high accuracy,far transmission distance,and real-time monitoring of water level information.

wireless sensor networks; GPRS; water level monitoring; wireless transmission; upper computer

1673-3851 (2015) 02-0228-06

2014-06-13

陳 波(1989-),男,浙江臺州人,碩士研究生,主要從事計算機應用技術方面的研究。

徐偉強,E-mail:wqxu@zstu.edu.cn

TP399

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