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        基于ZigBee的多參數(shù)雨水監(jiān)測儀的設計

        2018-12-18 01:12:28王玲
        卷宗 2018年28期
        關鍵詞:pH值液位流量

        摘 要:針對目前已有的雨水監(jiān)測儀監(jiān)測參數(shù)單一和實時性差等問題,基于ZigBee和多傳感器集成技術,設計了一種多參數(shù)雨水監(jiān)測儀。該裝置通過PH值傳感器、流量傳感器和液位傳感器采集雨水的PH值、流量和液位,通過電流傳感器和電壓傳感器采集雨水處理設備的運行狀況,并將這些數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡不間斷無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行顯示和存儲,實現(xiàn)多傳感器的接入、各種參數(shù)的自動采集與不間斷遠程無線傳輸?shù)裙δ?。該裝置通信可靠,監(jiān)測精度高,能有效地輔助監(jiān)測人員對雨水年徑流總量控制率、非傳統(tǒng)水資源利用率、相關設備和設施狀態(tài)的監(jiān)測與管理。

        關鍵詞:PH值;流量;液位;多傳感器集成;ZigBee網(wǎng)絡

        雨水監(jiān)測系統(tǒng)是海綿城市的重要組成部分,持續(xù)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是科學分析海綿城市建設成效的重要依據(jù)。面對量大面廣的設施設備,采用全人工方式進行巡檢、維護會極大地降低雨水監(jiān)測系統(tǒng)的建設效果。

        本裝置高效集成PH值傳感器、流量傳感器和液位傳感器、電流傳感器和電壓傳感器,實時采集各監(jiān)測點雨水參數(shù)和雨水處理設備的運行狀況,采用ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)單一和實時性差等問題,具有監(jiān)測數(shù)據(jù)全面和靈活性高等優(yōu)點,為后續(xù)雨水監(jiān)測管理提供基礎數(shù)據(jù)支撐,提高后期雨水回收利用效率。

        1 多參數(shù)雨水監(jiān)測儀總體方案設計

        雨水監(jiān)測儀主要由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉換模塊、微處理器、LED顯示器和ZigBee無線傳輸模塊構成。傳感器模塊檢測雨水的PH值、流量和液位,電流傳感器和電壓傳感器檢測雨水處理設備的運行狀況。信號調(diào)理模塊將傳感器模塊檢測到的微弱信號轉換成電信號,進行放大后傳輸給A/D轉換模塊。A/D轉換模塊將模擬信號轉換成數(shù)字信號,傳輸給微控制器。微控制器進行數(shù)據(jù)處理,將結果本地顯示在LED顯示屏上并通過ZigBee通信模塊無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行顯示和存儲。所有的模塊由電源模塊進行供電。雨水監(jiān)測儀的結構如圖1所示。

        2 微控制器

        微控制器選擇CC2530F256作為MCU。該芯片具有業(yè)界標準的增強型的高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核,具有8KB SRAM,具備各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力。256KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。其具有三種不同的供電模式,使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短,進一步確保了低能源消耗。并且,CC2530F256還具有強大的5通道DMA功能,支持硬件調(diào)試。

        3 ZigBee通信模塊設計

        CC2530F256 是用于2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,適應2.4GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器,RF內(nèi)核控制模擬無線模塊,能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點,只需極少的外接元件和一個晶振,即可形成一個滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡需求的簡單應用系統(tǒng)。接收靈敏度和抗干擾性極高,可編程的輸出功率高達4.5dBm。

        4 ADC模塊

        CC2530F256具有8路輸入可配置分辨率的7~12位ADC。分別在30kHz或4kHz的帶寬。DC和音頻轉換可以使用高達八個輸入通道(端口0)。輸入可以選擇作為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD或是一個單端或差分外部信號。ADC可以自動執(zhí)行定期抽樣或轉換通道序列的程序。當使用ADC時,端口0的引腳必須配置為ADC模擬輸入。

        5 信號調(diào)理模塊設計

        信號調(diào)理模塊選擇型號為CM4016的16通道振動信號調(diào)理模塊,用于動態(tài)信號測試系統(tǒng)的前級信號調(diào)理。其與傳感器直接相連,對傳感器采集到的動態(tài)信號進行調(diào)理,輸入量程為±10V。該模塊為系統(tǒng)前端信號提供程控增益、抗混疊濾波和AC/DC耦合等功能。其內(nèi)部采用獨特雙層設計,將數(shù)字信號和模擬信號及供電電路分割開來,可以有效地避免相互干擾,提高系統(tǒng)測試精度。

        6 LCD液晶顯示屏設計

        LCD液晶顯示屏選擇帶中文字庫的128×64LCD液晶顯示屏,內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊,可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示。

        7 傳感器模塊設計

        PH值傳感器選擇Y532-B在線數(shù)字PH值傳感器,其具有測量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、價格適中等特點。該傳感器采用工業(yè)在線電極,電極前端為平面結構,易于清洗。內(nèi)置溫度傳感器,可以自動溫度補償,適合在線長期監(jiān)測環(huán)境使用。

        流量傳感器選擇型號為RB-02S034的水流傳感器,流量范圍為0~6L/Min,輸出信號為脈沖信號,使用電壓為DC24V。其主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。當水通過水流轉子組件時,磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化,霍爾傳感器輸出相應脈沖信號,反饋給微控制器,由控制器判斷水流量的大小,進行調(diào)控。其適合各種控制器和開發(fā)板,與CC2530F256微控制器連接只需極少的外圍電路。

        液位傳感器選擇型號為JYB-KO-L的投入式靜壓液位傳感器。其基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理,將靜壓轉換為電信號,再經(jīng)過溫度補償和線性修正,轉化成標準電信號。測量范圍為0~300m,供電電壓為DC24V,輸出信號為4~20mA。

        電流傳感器選擇型號為CA-33-A55-A2-A1的電力專用電流傳感器,其工作電源AC220V。測量三相三線交流電流,輸入信號范圍為0-5A,50Hz的交流電,輸出信號為0-5mA。其具有優(yōu)良的抗干擾能力,高穩(wěn)定可靠特性,輸出精度≤±0.2%額定輸出。

        電壓傳感器選擇型號為CV-33-V35-V2-A1的電力專用電壓傳感器。其工作電源AC220V。測量三相三線交流電壓,輸入信號范圍為300V,50Hz的交流電,輸出信號為0-5V。隔離耐壓為4KVAC,響應時間≤250ms。

        8 結束語

        基于ZigBee的多參數(shù)雨水監(jiān)測儀利用PH值傳感器、流量傳感器、液位傳感器、電流傳感器和電壓傳感器實時準確地監(jiān)測雨水的水質和處理設備的運行狀況,并遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,為海綿小區(qū)的建設評估、運行管理分析提供數(shù)據(jù)支撐。

        參考文獻

        [1]趙華.低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)水質在海綿城市建設中的引導作用[J].給水排水,2016,42(10).

        [2]宋夢琪.城市雨水系統(tǒng)中低影響開發(fā)與綠色水基礎設施及其實例[J].環(huán)境科學與管理,2013,38(3).

        [3]楊京帥,雷景敏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的橋梁安全監(jiān)測與評估關鍵問題研究[J].公路,2012(9).

        [4]張靜,皇甫瑋喆.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的地表水質監(jiān)測預警系統(tǒng)設計[J].電子與封裝,2016(12).

        [5]喻紀文,賈露,李青等.基于4G網(wǎng)絡的水質監(jiān)測分布式數(shù)據(jù)傳輸架構研究[J].軟件導刊,2018,17(2).

        作者簡介

        王玲(1988-),女,漢族,重慶璧山人,碩士研究生,講師,研究方向:物聯(lián)網(wǎng)、計算機控制。

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