無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、第一章緒論1.1課題研究的背景和意義我國洪水災(zāi)害頻繁，給國家和人民生命財產(chǎn)造成了重大損失。為增加洪水有效預(yù)見期，提高水文預(yù)報的精度，與時準(zhǔn)確地為防汛和水利水電調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)，20世紀(jì)70年代我國開始建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)。水位測報系統(tǒng)對充分發(fā)揮防汛減災(zāi)，合理利用水資源具有十分重要的意義。水情測量數(shù)據(jù)是重要的水文參數(shù)，水位測量的精度和實時性，直接影響到水庫防洪安全、發(fā)電灌溉等。我國水資源不平衡，幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，水位測量工作仍存在一些困難。在大型發(fā)電站、重要水文站水位測量技術(shù)相對先進(jìn)一些，而普通的報汛站和水文監(jiān)測站的測量技術(shù)仍處于比較落后的狀態(tài)，水文站測洪能力不適應(yīng)監(jiān)

2、測大規(guī)模洪水的要求。至90年代初，我國很多地方水文測報設(shè)施經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，大多處于舊老化的報廢狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)施破爛不堪、難以承擔(dān)日常水文測報工作的局面。近年來，在國家計委和水利部的關(guān)心下，我國水文建設(shè)項目增多，建設(shè)步伐加快，使得水文測報設(shè)施破舊落后的狀況得以改善。但距離水文工作現(xiàn)代化還有很大的距離。在新形勢下，水位檢測要求穩(wěn)定和準(zhǔn)確，傳感器必須準(zhǔn)確的檢測到水位信息，并通過變送器把水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的呈現(xiàn)給觀測人員。因此傳感器能否準(zhǔn)確地檢測水位、穩(wěn)定運(yùn)行就成為了關(guān)鍵。1.水位監(jiān)測的基本發(fā)展情況有些國家水位監(jiān)測技術(shù)依然處于比較落后的狀態(tài)，在很多地區(qū)的河流、湖泊或水庫，還在使用比較落后的監(jiān)測設(shè)備，有

3、些地方還在通過人工采集水文數(shù)據(jù)，這顯然不能滿足現(xiàn)代化水位監(jiān)測的要求。水文監(jiān)測有它特定的應(yīng)用背景，一般都在比較偏僻的區(qū)域，這使得很難通過架設(shè)有線來完成數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況下，使用無線通信是一種很好的選擇。當(dāng)前使用的GPRS、GSM、微波和數(shù)傳電臺等都有一定圍的使用，但它們都有其適用的局限性。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的提出，以與水文監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，ZigBee技術(shù)在水文監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，并具有其它幾種無線技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。2.國外水位監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代后期，隨著微型計算機(jī)和單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展水位監(jiān)測技術(shù)有了較快的發(fā)展。1976年美國SM公司與美國氣象局合作研制的一套水位自動

4、監(jiān)測設(shè)備。80年代以來，由于遙控設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式和微機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，水位監(jiān)測和防洪調(diào)度自動化技術(shù)在全世界得到廣泛的應(yīng)用。90年代以后，國際上多家公司退出了功能強(qiáng)、應(yīng)用圍廣的產(chǎn)品，在水利水電、氣象等領(lǐng)域都適時得到應(yīng)用。在國外，美國和日本是較早開始水文自動化技術(shù)研究的國家。美國既是工業(yè)先進(jìn)、通訊、交通網(wǎng)非常發(fā)達(dá)的國家，又是幅員廣大、人口密度不均的國家。因此各種制式、各種通信方式的測報系統(tǒng)均比較發(fā)達(dá)。其中自報式超短波系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺獲得廣泛的應(yīng)用，而且美國是大面積使用流星余跡通信進(jìn)行水文遙測的唯一國家。使用衛(wèi)星的系統(tǒng)如極軌衛(wèi)星環(huán)境數(shù)據(jù)(包括水文數(shù)據(jù))收集系統(tǒng)ARGos系統(tǒng)，與大量氣象同步衛(wèi)星平臺

5、，均可進(jìn)行水文數(shù)據(jù)傳輸。近年美國的suTRON公司被美國海洋和大氣局 (NOAA)授權(quán)研制下一代水位測量系統(tǒng)州GwLMs)。該系統(tǒng)將會集成目前的海平面與大流域測量網(wǎng)絡(luò)，用最先進(jìn)的傳感器，衛(wèi)星傳輸手段，集中數(shù)據(jù)處理與接收。日本在37萬kmZ的國土面積上，建有26個雷達(dá)雨量站，2500個地面雨量站和2100個水位站，觀測圍覆蓋整個日本。這些測站采用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)傳輸?shù)焦な率聞?wù)所，收集全國的水文信息僅用10分鐘，且每小時更換一次信息，事務(wù)所也可以通過監(jiān)視器察看測站的運(yùn)行情況。所有測站均實現(xiàn)無人值守，其監(jiān)測系統(tǒng)集成化和綜合程度比較高。對于水文監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和研制，國外發(fā)達(dá)國家始終處于

6、領(lǐng)先地位，其特點是:系統(tǒng)發(fā)展比較完善，傳感器測報設(shè)備先進(jìn)可靠;通信方式多樣化且十分先進(jìn);分析預(yù)報技術(shù)成熟并積極采用各種先進(jìn)的技術(shù)。在監(jiān)測設(shè)備方面，國外的數(shù)據(jù)采集終端除了具有數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、處理和傳輸這些基本功能外，在傳感器集成、多參數(shù)采集、監(jiān)測設(shè)備智能化方面技術(shù)也比較成熟。3.國水位監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)包括三個階段:初級階段、發(fā)展階段和網(wǎng)絡(luò)化階段。二十世紀(jì)七十年代中期開始到八十年代中期為初級階段。水文信息化從1980年開始，起步于信息源的處理。八十年代中后期開始的十余年為發(fā)展期。九十年代后期，為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度現(xiàn)代化、信息化的要求，以與近代通信、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)

7、展的時代特點，水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化階段。2001年，水利部印發(fā)了全國水利信息化規(guī)劃綱要，提出了全國水利信息化的發(fā)展思路。在水利系統(tǒng)的信息化工作中，防汛信息系統(tǒng)建設(shè)起到了先鋒帶頭作用。目前，從水利部機(jī)關(guān)到各流域、各省市實現(xiàn)了水情、雨情信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實現(xiàn)了信息的自動化接收、處理和分析。在國家防汛指揮系統(tǒng)工程項目的總體設(shè)計中，提出了在全國將建立224個水情分中心、228個雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定規(guī)模的水情、雨情信息自動測報系統(tǒng)。我國的水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)過近三十年的發(fā)展經(jīng)驗積累，雖然已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但總體來說，大部分地區(qū)的水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)還

8、不夠合理和完善，整體水平仍相對落后，與西方發(fā)達(dá)國家還存在著很大的差距，信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后，信息時效性差，不能滿足當(dāng)今對水文數(shù)據(jù)實時、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測的要求。1.5論文的結(jié)構(gòu)安排本文分七章對基于ZigBee和GPRS的無線水文監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計，主要章節(jié)容安排如下:第一章，首先論述了本課題的背景背景和意義，然后介紹了國外水文監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，接著分析了水文監(jiān)測系統(tǒng)中常用的幾種無線組網(wǎng)技術(shù)，提出了ZigBee無線水文監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，最后對論文的結(jié)構(gòu)安排進(jìn)行了說明。第二章，對 IEEE802.巧.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層進(jìn)行了分析，然后介紹了ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

9、，為以后的設(shè)計打好基礎(chǔ)。第三章，從系統(tǒng)的功能和性能需求分析出發(fā)，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對系統(tǒng)的組成、工作原理和系統(tǒng)特點等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。第四章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件進(jìn)行了分析和設(shè)計，分為最小系統(tǒng)設(shè)計和外圍接口電路設(shè)計兩部分，對各個電路的芯片選型、特點、電路設(shè)計原理等進(jìn)行分析和介紹，并給出了各個電路的電路原理圖或示意圖。第五章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件進(jìn)行了分析和設(shè)計，首先提出了軟件的整體結(jié)構(gòu)，然后依次介紹了軟件開發(fā)環(huán)境的建立、林c/os一n嵌入式操作系統(tǒng)在LPc2210上的移植、SMAC協(xié)議棧的移植、系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計等。其中，系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計中，對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了劃分，分析了任務(wù)間的

10、通信方式，然后對各個任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計，并給出了軟件的流程圖。第六章，給出了ZigBee在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用實例，首先分析了傳感器終端節(jié)點的設(shè)計，對水文傳感器進(jìn)行了選型，然后分析了終端節(jié)點的軟件設(shè)計，最后，從通信距離數(shù)據(jù)傳輸丟包率兩個方面對該應(yīng)用實例進(jìn)行了實驗和性能分析。第七章，對本論文研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對系統(tǒng)今后進(jìn)一步的工作進(jìn)行了展望。國外研究現(xiàn)狀隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，無論是在國還是國外，嵌入式技術(shù)都己經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，其可靠性也得到了廣泛地驗證3。嵌入式技術(shù)應(yīng)用于水利土木監(jiān)測領(lǐng)域，為各種安全監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。但是國外這方面的研究成果還是具有一定的差距。主要體現(xiàn)

11、在，國際先進(jìn)水平的水利土木安全監(jiān)測系統(tǒng)，己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，形成了一定的市場規(guī)模和占有率。國際上處于領(lǐng)先水平的技術(shù)相對于國技術(shù)的優(yōu)勢在于:傳感器技術(shù)更先進(jìn)，監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計能力更強(qiáng)，從業(yè)公司比較多，市場認(rèn)知度比較高。國這方面的研究目前開展的也很多，發(fā)展相對來說也很快，市場前景也比較看好。嵌入式平臺大多都是發(fā)達(dá)國家提供的產(chǎn)品，國在平臺設(shè)計方面比較落后，但是本研究室也能夠接觸到國際上比較先進(jìn)的嵌入式平臺，能夠為系統(tǒng)構(gòu)建良好的硬件基礎(chǔ)。在無線通信技術(shù)方面，也可以接觸到國際上比較先進(jìn)的無線通信技術(shù)。1.2.1水位傳感器方面實際工程中常用的水位傳感器主要有以下幾種類型，4，5，6:1浮體式水位傳感器

12、這類傳感器是根據(jù)水的浮力來實現(xiàn)水位采樣的。它的結(jié)構(gòu)特點是必須有浮體浮于水面。其采集水位信號的原理是:浮體浮于水面隨水升降，同理浮體隨水位移的信號，通過浮體以一定方式傳遞出去，實現(xiàn)水位采集。浮體式水位傳感器依據(jù)浮體傳遞水位信號方式的不同，又可劃分為不同種類。浮子式光纖水位傳感器是一種常見的浮體式水位傳感器。浮體式水位傳感器的主要缺點有兩個:一是冬季結(jié)冰時無常工作;二是無法在流動的水中測量水位，需建測井。2壓阻式水位傳感器水具有壓力，并且水的壓力與水的深度成正比，利用水的這一性質(zhì)采集水位信號的傳感器，被稱為壓阻式水位傳感器。壓阻式水位傳感器水位取樣的基本原理是基于單晶硅材料的壓阻效應(yīng)。也就是說，半

13、導(dǎo)體單晶硅在受到水的壓力后，其電阻會發(fā)生改變，且改變量與水的壓力成正比。壓阻式水位傳感器靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非電量測量技術(shù)中非常重要的檢測手段。這類傳感器的主要缺點是，在大應(yīng)變狀態(tài)中有較明顯的非線性，輸出信號弱，故抗干擾能力差。3傳熱式水位傳感器這類傳感器是基于水的導(dǎo)熱特性而研制的。水的導(dǎo)熱速度與空氣相比差別很大，若將功率一定的發(fā)熱體分別置于水與其同溫的空氣中，發(fā)熱體表面的溫度顯著不同，即發(fā)熱體在水中的表面溫度低于其在空氣中的溫度，發(fā)熱體功率越大，差別就越明顯。這種根據(jù)傳熱原理研制的傳感器，是將水位測量轉(zhuǎn)化為溫差測量。這種傳感器能滿足可靠性的要求，但精確度較

14、低。4超聲波水位傳感器超聲波水位傳感器是根據(jù)水能傳播聲波的特性研制的。超聲波水位傳感器采集水位信號的原理是:傳感器部放射源向水表面發(fā)射超聲波，水反射部分回波，這種反射波被同一傳感器探測，并轉(zhuǎn)換成電信號。這種傳感器適用于腐蝕性液體的測量。5導(dǎo)電式水位傳感器自然界的水具有導(dǎo)電性，人們利用水的導(dǎo)電性研究出了各種水位傳感器，人們把這些水位傳感器統(tǒng)稱為導(dǎo)電式水位傳感器。這類傳感器采集水位信號的基本原理是利用水的導(dǎo)電性將水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換方式有兩種:一種是將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化;另一種是利用水位變化與電極接觸，來實現(xiàn)水位信號到電信號的轉(zhuǎn)變。根據(jù)水位信號轉(zhuǎn)換成電信號的不同方式，導(dǎo)電式水位傳感器可分

15、為兩種類型:·電容型和電接觸型。(1)電容型水位傳感器這種傳感器是利用的水的導(dǎo)電性，把水構(gòu)成電容器的一個極板，將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來檢測水位信號的。電容式水位傳感器的測量電路常見的有變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式與脈沖寬度式等。與其它水位傳感器相比，電容型水位傳感器具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應(yīng)好、對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。(2)電接觸型水位傳感器電接觸型水位傳感器是依靠水的導(dǎo)電性來采集水位信號的。它利用水的導(dǎo)電性，通過水位變化與相應(yīng)的電極接通，把水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。依靠電極與水接通拾取水位信號，也是這種傳感器的特點。電極用金屬材料制成，縱向依次排列在空芯棒外或安裝在棒

16、，但必須使電極能夠與水接觸。電接觸型水位傳感器結(jié)構(gòu)簡單。安裝使用都很方便、性能較穩(wěn)定、價格低廉，因此備受用戶歡迎。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，水位傳感器的種類繁多，但能夠在水位數(shù)據(jù)的采集時就實現(xiàn)數(shù)字化的卻很少見，理工大學(xué)測控技術(shù)研究所馬福昌教授等人研制的MFC系列水位傳感器就是其中較為突出的一類，該類傳感器現(xiàn)在仍居國外領(lǐng)先地位。“感應(yīng)式水位傳感器”就是是其中的一種，該傳感器應(yīng)用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集的新技術(shù)，采用全數(shù)字化電路，通過刻度采集水位信號，從開始采集水位信號就實現(xiàn)了數(shù)字化，經(jīng)過部電路處理，輸出電流信號，由于從采集水位信號到輸出的信號是全數(shù)字的，數(shù)字信號受溫度的影響很小，不但解決了微弱信號抗干擾的問題，而

17、且也基本克服了溫度漂移問題。傳感器信號輸出采用國際數(shù)字信息化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口電路。1.2.2目前流行的無線傳輸技術(shù)(l)數(shù)傳電臺 (dataradio):借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電匕頭口0 (2)GPRs(GeneralPacketRadioservice)通用分組無線業(yè)務(wù):一種基于包的無線通訊服務(wù)。GSM:第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)，也是全球第一個對數(shù)字調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)種類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。(3)無線射頻身份識別系統(tǒng)(RadioFre明 eneyIdent飯 cationSystem，簡稱RFn):邵ID是針對常用接觸式識別系統(tǒng)缺點加以改良。 (4)

18、藍(lán)牙技術(shù)(bluetooth):一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)，它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ)，可為固定或移動的終端設(shè)備提供廉價的接入服務(wù)。川(5)紅外線通訊技術(shù)(LDA):一種廉價、近距離、無線、低功耗、性強(qiáng)的通訊方案，主要應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸，有時也用于無線網(wǎng)絡(luò)接入和近程遙控。 (6)NFC(NearFieldCommunieation，近距離無線傳輸):由PhiliPs、NoKIA和Sony主推的一種類似于R日D(非接觸式射頻識別)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。(7)ZigBee技術(shù):zigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)

19、的食物源的位置、距離和方向等信息。(8)Wi一Fi技術(shù)，wi一 Fi(WirelessFidehty，無線高保真)也是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是正EESO2.llb，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。水位監(jiān)測屬于水利土木安全監(jiān)測的一個分支，是一項有重大實際意義的研究課題。目前，隨著嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，水利土木安全監(jiān)測手段也同樣得到了快速的發(fā)展。從最早的人工觀測，到使用電纜傳輸數(shù)據(jù)的有線觀測方法，再到現(xiàn)在的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以說新技術(shù)層出不窮。國外己經(jīng)有大量的文章研究了將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于安全監(jiān)測領(lǐng)域的課題，也有了很多相關(guān)產(chǎn)品的問世。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案在感應(yīng)式水位傳感傳統(tǒng)應(yīng)

20、用中，需要給傳感器接上電源線、地線和信號線，即使用戶不需要水位數(shù)據(jù)，傳感器也始終處于工作狀態(tài)。這樣一來傳感器的功耗很大，而且當(dāng)水位監(jiān)測點比較分散，地理環(huán)境惡劣時電纜安裝將十分繁瑣，并且安裝電纜本身就會增加成本，還會給未來的檢修和維護(hù)帶來很多麻煩。介于如上問題，本系統(tǒng)的設(shè)計思路是:(1)采用無線通訊和太陽能供電，無需安裝電纜。(2)采用低功耗的微控芯片和無線傳輸方式，在硬件上降低功耗。(3)控制系統(tǒng)處于“休眠”和“喚醒”狀態(tài)，平時下位機(jī)處于“休眠”狀態(tài)，當(dāng)用戶需要水位數(shù)據(jù)并向下位機(jī)發(fā)出水位采集命令時，下位機(jī)才被“喚醒”，從工作方式上降低功耗。(4)測量下位機(jī)功耗和太陽能電池板、蓄電池的供電能力，

21、為下位機(jī)選擇最為經(jīng)濟(jì)而且滿足系統(tǒng)能夠長期正?？煽抗ぷ饕蟮奶柲茈姵匕搴托铍姵亍Ｏ到y(tǒng)總體設(shè)計方案在項目開始之前，首先認(rèn)真分析了用戶的實際需求，確保用戶提出的需可以實現(xiàn)的，接著實地考察了站北廣場的地形結(jié)構(gòu)，然后綜合考慮本研究室的技術(shù)實力、產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品維護(hù)以與升級的方便程度等因素，提出了本文的設(shè)計方案。1系統(tǒng)總體設(shè)計無線數(shù)據(jù)傳輸水位監(jiān)測儀要長時間無人職守的監(jiān)測系統(tǒng)，需要與時采集數(shù)據(jù)，即從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。監(jiān)測儀的水位傳感器的量程圍為0-2m；水位分辨率為lmm

22、；在采集數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)傳向遠(yuǎn)端服務(wù)器。系統(tǒng)應(yīng)用一種高性能、低功耗的單片機(jī)，對各個部分進(jìn)行自動控制，以降低儀器的整體功耗。定時部分完成監(jiān)測周期的時間設(shè)定。當(dāng)定時時間到達(dá)時，儀器部的自控電路將自動接通單片機(jī)、傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的電源，依次選通各路模擬信號，完成放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號經(jīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線調(diào)入單片機(jī)部，由單片機(jī)處理后存入RAM（數(shù)據(jù)存儲器）保存。當(dāng)通訊程序啟動后，按照通訊程序的指令將存儲器的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，或按指令將計算機(jī)的當(dāng)前時間與下次數(shù)據(jù)采集時間和間隔下傳至?xí)r鐘芯片或相應(yīng)的寄存器中。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示2系統(tǒng)器件選擇2.1 MSP430系列

23、單片機(jī)選擇MSP430系列單片機(jī)是美國儀器公司（TI）近幾年開發(fā)的新一代16位單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、多種時鐘模塊，適應(yīng)工業(yè)級運(yùn)行環(huán)境。其突出優(yōu)點是低電源電壓、超低功耗、較高的性能價格比，非常適合各種功耗要求較低場合的應(yīng)用。該系列單片機(jī)典型應(yīng)用是智能儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、保安系統(tǒng)和家電等方面。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)。2.2 GSM模塊目前，我國已基本上建成了可以覆蓋全國大多數(shù)省區(qū)面積的移動通訊網(wǎng)絡(luò)，特別是在人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市周邊地區(qū)，移動通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積幾乎接近100%。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信

24、GSM模塊，自帶RS-232通訊接口,可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和 。TC35模塊的工作電壓為3.35.5V,可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段,所在頻段功耗分別為2w(900M)和1w(1800M)。2.3傳感器選型傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。水位監(jiān)測儀的傳感器長期置于水井，一般的傳感器極易結(jié)垢和腐蝕氧化。故傳感器的主體材料應(yīng)為特制合金，工作環(huán)境的水溫要求在2060之間。壓力式水位傳感器的輸出為420mA（4m

25、A對應(yīng)最大水位，20mA對應(yīng)最小水位）電流信號，只需二芯電纜即可傳輸該信號，且壓力式水位傳感器體積小巧，一般其直徑約為30mm，長度約為150mm，安裝時只要簡單地將其投入至水中即可。即使為了保護(hù)傳感器免受外力損壞，也只需用直徑為50mm的鍍鋅鋼管作為護(hù)套，費(fèi)用較低，故決定選擇壓力式水位傳感器，如圖3所示。TCYB系列投入式擴(kuò)散硅壓力變送器選用著名美國ICSensors公司高精度、高穩(wěn)定性擴(kuò)散硅壓力傳感器組件，變送器由擴(kuò)散硅壓力芯片和信號處理電路組成，當(dāng)外加壓力時，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的壓力芯片上，使壓力芯片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微小位移，電子線路檢測這一位移量后，即把這一位移量轉(zhuǎn)換

26、成對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測量信號，再經(jīng)信號處理電路對其補(bǔ)償、放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出信號，可直接與MSP430F149單片機(jī)A/D輸入通道P6口連接，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。原理如圖4所示。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計通過系統(tǒng)框圖可以看出：整個系統(tǒng)包括電源與復(fù)位模塊、串口模塊、A/D采集模塊、控制模塊、GSM模塊和串行存儲器模塊。整個系統(tǒng)的供電電壓為5V，單片機(jī)等芯片的供電電源電壓為3.3V，而TC35的供電電源電壓為3.6V，這樣電源部分有兩個穩(wěn)定的電壓輸出，并且3.6V電壓的供電電流必須能達(dá)到2A以上，這是由GSM模塊的峰值電流所要求的。

27、復(fù)位監(jiān)控部分為系統(tǒng)在開機(jī)時提供復(fù)位信號，并監(jiān)控系統(tǒng)工作的電壓是否正常，當(dāng)不正常時使系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)通過串口O與GSM模塊接口，通過串口1與PC通信，在與PC通信時，需要考慮電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)通過單片機(jī)的A/D通道采集來自傳感器的數(shù)據(jù)；通過控制繼電器的狀態(tài)來控制設(shè)備的工作狀態(tài)。此外，系統(tǒng)通過串行存儲器來記錄數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊、串口模塊、采集控制模塊、GSM模塊、串行存儲器模塊與CPU控制模塊。4系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)采集、通信兩大模塊組成，通信又為分GSM通信和PC機(jī)通信兩種，設(shè)計上主程序由數(shù)據(jù)采集、與GSM通信處理兩部分，而與PC機(jī)通信（配置命令）則通過中斷方式實現(xiàn)。主程序流程框圖如圖5

28、所示。本文的無線節(jié)點按照用途可以分為終端節(jié)點、路由節(jié)點和基站。終端節(jié)點將采集到的信息無線發(fā)送出去,路由節(jié)點中繼、轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信息,然后由基站交與計算機(jī)處理,圖1是無線水位監(jiān)測系統(tǒng)示意圖1.1終端節(jié)點終端節(jié)點主要任務(wù)是采集、發(fā)送水位信息。液位變送器JYB-KO-TAG將水位信息轉(zhuǎn)換成電信號,交與CC2430的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,CC2430的8051微控制器核進(jìn)行信息處理,最后由符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)射頻發(fā)送水位信息。1.2路由節(jié)點路由節(jié)點開啟CC2430的RF無線電收發(fā)機(jī)中繼、轉(zhuǎn)發(fā)來自基站的命令、來自終端節(jié)點的水位信息。路由節(jié)點的加入

29、,組成無線網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測信息在這個無線網(wǎng)絡(luò)中不斷地延伸、傳遞,使通信距離增加,監(jiān)控圍增大。1.3基站基站通過CC2430的串行通信接口(USART),與計算機(jī)進(jìn)行通信,完成用戶的命令指示,通過CC2430的RF無線電收發(fā)機(jī)與終端節(jié)點進(jìn)行命令、采集信息的交互,完成水位信息的采集。2無線水位監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計無線水位監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要由終端節(jié)點、基站和計算機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計發(fā)組成。終端節(jié)點接收基站命令,實施采集作業(yè);基站功能是傳達(dá)用戶指令,收集終端節(jié)點信息;計算機(jī)監(jiān)控軟件主要是負(fù)責(zé)下達(dá)系統(tǒng)命令,監(jiān)控水位信息,實施報警警示用戶。2.1終端節(jié)點軟件終端節(jié)點軟件根據(jù)基站的命令進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)采集作業(yè),然后將采集

30、到的信息無線發(fā)送出去,這些信息包括水位信息、自身電量信號,其中節(jié)點信息包括電量信息,目的是便于用戶維護(hù)系統(tǒng),與時更換節(jié)點或者節(jié)點電池,其具體的軟件流程圖如圖2所示。2.2路由節(jié)點軟件路由節(jié)點負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā),包括基站的命令和終端節(jié)點的任務(wù)信息,并根據(jù)基站的命令采集自身的電量信息,以確定是否由其承擔(dān)路由功能。軟件的流程圖如圖3所示。2.3基站軟件基站軟件主要包括串口通信、無線收發(fā)兩個模塊。串口通信協(xié)議如表1所示。協(xié)議每個字節(jié)含義如下:(1)起始位:標(biāo)識一個控制信息的開始,包括兩個字節(jié),分別設(shè)置為0x40和0x00。設(shè)備地址:標(biāo)識信息的目標(biāo)設(shè)備,根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。目前暫時定義為0x00為廣播地址

31、,0x01為采集設(shè)備地址,0x02為計算機(jī)地址。(2)功能碼:標(biāo)識信息的功能,0x01為采集頻率控制,0x02為電壓數(shù)值傳輸。功能碼為0x01:數(shù)據(jù)位中數(shù)據(jù)為采集頻率。當(dāng)高位和低位全部為0X00時表示采集停止,否則數(shù)據(jù)表示多少秒采集一次數(shù)據(jù)。功能碼為0x02:數(shù)據(jù)位中數(shù)據(jù)為電壓值,數(shù)值為實際電壓值的1000倍。(3)數(shù)據(jù)位:包括數(shù)據(jù)高位和數(shù)據(jù)低位,首先使用數(shù)據(jù)低位。(4)CRC校驗:對起始位、設(shè)備地址、功能碼和數(shù)據(jù)位進(jìn)行計算得出的8bitCRC值?；拒浖鶕?jù)以上的通信協(xié)議與計算機(jī)通信,并根據(jù)相應(yīng)的命令,轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點相應(yīng)的任務(wù),然后接收終端節(jié)點的采集信息,其流程圖如圖4所示。2.4計算機(jī)監(jiān)控

32、軟件為了更直觀、與時地了解水位信息,采用Visual C#開發(fā)了無線水位計算機(jī)監(jiān)控軟件,如圖5無線水位計算機(jī)監(jiān)控軟件主界面所示,在尾礦庫的水塔中布置液位變送器,在塔頂安置終端節(jié)點,監(jiān)控室離監(jiān)測點比較遠(yuǎn),中間增加了路由節(jié)點,在監(jiān)控室安裝基站,完成與計算機(jī)通信,軟件功能還包括從串口獲得采集節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)信息,根據(jù)這些數(shù)據(jù)以與用戶的設(shè)置,實時圖形顯示水位、各個節(jié)點狀態(tài)、通信狀態(tài)、各個節(jié)點的電池電量以與水位報警和電池電量報警等信息,很好地完成了水位信息的監(jiān)控。2.1系統(tǒng)設(shè)計概要本研究室有較多的水利土木安全監(jiān)測方面的實際項目經(jīng)驗，水位監(jiān)測方向的課題，以前也有過一定的研究和實踐。所以，用戶提出的建立

33、水位監(jiān)測系統(tǒng)的需求，本研究室利用己經(jīng)掌握的嵌入式技術(shù)可以很好的滿足。首先是傳感器方面，壓阻式傳感器和超聲波液位儀都是經(jīng)過實際驗證的可靠的水位傳感器，可以根據(jù)不同的地理環(huán)境和用戶的不同需求，分別使用它們。其次，嵌入式平臺方面，本研究室已經(jīng)有了較為豐富的16/32位嵌入式開發(fā)經(jīng)驗，能夠根據(jù)用戶的不同需求，構(gòu)建最合適的嵌入式平臺滿足用戶的需求。然后是無線通信技術(shù)方面，因為站北廣場面積比較大，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有線網(wǎng)絡(luò)布線比較困難，所以用戶要求使用無線通信技術(shù)構(gòu)建采集系統(tǒng)。本研究室研究過大多數(shù)的主流無線通信技術(shù)，也有豐富的無線開發(fā)經(jīng)驗，能夠根據(jù)實際應(yīng)用，使用最合適的無線通信技術(shù)滿足用戶的需求。最后是系統(tǒng)的

34、可靠性方面，由于水利上木安全監(jiān)測項目實際意義重大，所以對系統(tǒng)可靠性大多要求比較高。本研究室可以利用已有的項目經(jīng)驗和嚴(yán)格的開發(fā)測試流程，確保系統(tǒng)的安全可靠。在能夠滿足用戶基本需求的前提下，本文還要研究如何針對用戶的具體要求，設(shè)計出最適合于當(dāng)前應(yīng)用的系統(tǒng)。任何用戶最關(guān)心的都是系統(tǒng)的可靠性，在可靠的前提下，用戶對于系統(tǒng)成本也是非常關(guān)心的。為了在不影響系統(tǒng)性能的前提下，盡可能降低系統(tǒng)成本，本文在嵌入式硬件的設(shè)計方面采用了16位的MsP43O處理器和32位的ARMg53C2410處理器相結(jié)合的設(shè)計方案。通過嵌入式微處理器的高低搭配，能夠充分發(fā)揮不同性能微處理器的最大功效。根據(jù)站北廣場特殊的地理位置特點，

35、即大多觀測點均位于方圓2公里的圍這一現(xiàn)象，本文將ZigBee這一新興技術(shù)應(yīng)用于水位監(jiān)測領(lǐng)域。相對于有線傳輸來說，大大降低了施工布線的復(fù)雜性;另外對于以往使用的無線傳輸手段來說，系統(tǒng)的靈活性大大提升，功耗有明顯下降，另外通信費(fèi)用也降到了最低。依據(jù)用戶水位觀測和數(shù)據(jù)處理的要求，還為用戶提供了配套的上位機(jī)軟件，提供了數(shù)據(jù)存儲以與定時采集等功能。服務(wù)器軟件與整個采集系統(tǒng)配和使用，可以極方便用戶的采集工作。2.2無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計作為無線水位監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。本文首先分析比較了幾種市面主流的無線通信技術(shù)，然后針對本次應(yīng)用，選擇了最合適的遠(yuǎn)距離和近距離數(shù)據(jù)傳輸手段，

36、通過綜合使用兩種技術(shù)，構(gòu)建了整個監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。2.2.1多種無線通信技術(shù)的分析比較(l)IrDAIrDA是 hifraredDataAssociation的英文縮寫，即紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會，成立于1993年。是一個致力于建立無線傳播連接的國際標(biāo)準(zhǔn)非營利性組織。目前在全球擁有160個會員，參與的廠商包括計算機(jī)與通信硬件、軟件與電信公司等。簡單地講，IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點對點通信的技術(shù)，其相應(yīng)的軟件和硬件技術(shù)都已比較成熟。它在技術(shù)上的主要優(yōu)點有:無需專門申請?zhí)囟l率的使用執(zhí)照，這一點，在當(dāng)前頻率資源匾乏，頻道使用費(fèi)用增加的背景下是非常重要的。具有移動通信設(shè)備所必需的體積小、功率低的

37、特點。HP公司目前已推出結(jié)合模塊應(yīng)用的約從 2.5x8.0x2.9立方毫米到5.3x13.0x3.8立方毫米的專用器件，與同類技術(shù)相比，耗電量也是最低的。傳輸速率在適合于家庭和辦公室使用的微微網(wǎng)中是最高的，由于采用點到點的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較少，速率可達(dá)16MbPs4。除了在技術(shù)上有自己的技術(shù)特點外，lrDA的市場優(yōu)勢也是十分明顯的。目前，全世界有5000萬臺設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然每年以50%的速度增長。有95%的手提電腦安裝了frDA接口。在成本上，紅外線LED與接收器等組件遠(yuǎn)較一般RF組件來得便宜，IrDA端口的成本在5美元以，如果對速度要求不高甚至可以低到 1.5美元以，

38、相當(dāng)于日前藍(lán)牙產(chǎn)品的十分之一。IrDA的局限性。首先，IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，也就是說兩個具有IrDA端口的設(shè)備之間如果傳輸數(shù)據(jù)，中間就不能有阻擋物，這在兩個設(shè)備之間是容易實現(xiàn)的，但在多個電子設(shè)備間就必須彼此調(diào)整位置和角度等;其次，frDA設(shè)備中的核心部件紅外線LED不是一種十分耐用的器件，對于不經(jīng)常使用的掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備雖然游刃有余，但如果經(jīng)常用裝配IrDA端口的手機(jī)上網(wǎng)，可能很快就不堪重負(fù)了。IrDA的發(fā)展。IrDA除了傳輸速率由原來的 FIR(Fastinfrared)的4Mbps提高到最新vFIR的16MbPs標(biāo)準(zhǔn);接收角度也由傳統(tǒng)的30度擴(kuò)展到120度。這樣，在臺式電腦上采

39、用低功耗、小體積、移動余度較大的含有IrDA接口的鍵盤、鼠標(biāo)就有了基本的技術(shù)保障。同時，由于Inie二ct的迅猛發(fā)展和圖形文件逐漸增多，IrDA的高速率傳輸優(yōu)勢在掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等圖形處理設(shè)備中更可大顯身手。(2)Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)由愛立信、東芝、IBM和英特爾五家公司于1998年提出。主要用來打破以紅外線或電纜連接不同產(chǎn)品時受到的限制，2000年做到使移動等設(shè)備與個人電腦或任何其他設(shè)備、儀器之間，能夠在約幾十米的距離無需連接電纜線或紅外接口就可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換5。藍(lán)牙技術(shù)是實現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)，是一種低成本、短距離、支持點到點和點到多點的通信的無線通信技術(shù)，藍(lán)牙最早是作為電纜

40、的替代的一種低功耗短距離無線接口，實現(xiàn)在移動、便攜式電腦和其他電子裝置之間的無縫連接，進(jìn)而形成一個個局域網(wǎng)，使得其圍的各種信息化的移動和便攜設(shè)備都能實現(xiàn)資源共享。雖然用途上與紅外類似，其標(biāo)準(zhǔn)中也考慮到了與紅外系統(tǒng)的兼容性，但是由于無線電波比紅外線有固有的優(yōu)勢，藍(lán)牙技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用。但是未來的家居網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點的數(shù)量將會越來越多，藍(lán)牙有限的網(wǎng)絡(luò)容量將會大大限制其在低速控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。另外，藍(lán)牙的成本始終高居不下，也就導(dǎo)致其無法適用于未來的大規(guī)模家居控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。目前己經(jīng)有基于藍(lán)牙的智能家居系統(tǒng)，但是因為系統(tǒng)造價高，所以無法推廣開來。藍(lán)牙技術(shù)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)通訊優(yōu)勢，用于抄表領(lǐng)域在技術(shù)上是完全

41、可行的。目前市場上早己有藍(lán)牙技術(shù)的抄表模塊。但由藍(lán)牙技術(shù)主要針對的是數(shù)據(jù)交換與語音信號傳輸，同其它專有的抄表技術(shù)相比，有協(xié)議過于復(fù)雜、芯片成本較高的缺點。(3)Wi一Fi1999年9月，電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)批準(zhǔn)了 IEEE802.llb規(guī)，這個規(guī)也稱為wi一Fi。wi一Fi的全稱是 wirelessFidelity，又叫soZ.llb標(biāo)準(zhǔn)。它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11MbPs，另外它的有效距離也很長。 IEEE802.llb定義了用于在共享的無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信的物理層和媒體訪問控制子層。在物理層，IEEEso2.llb采用2.45GHz的無線頻率，最大的位速率達(dá)llM

42、bps，使用直接序列擴(kuò)頻 (D555)傳輸技術(shù)6。在數(shù)據(jù)鏈路層的MAc子層，802.llb使用“載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)”媒體訪問控制(MAC)協(xié)議。需要傳輸幀的無線工作站首先偵聽無線媒體，以確定當(dāng)前是否有另一個工作站正在傳輸(屬于CSMA/CA的載波偵聽的疇)。如果媒體正在使用中，該無線工作站將計算一個隨機(jī)的補(bǔ)償延時。只有在隨機(jī)補(bǔ)償延時過期后，該無線工作站才會再次偵聽是否有其他正在執(zhí)行傳輸?shù)墓ぷ髡?。通過引入補(bǔ)償延時，等待傳輸?shù)亩鄠€工作站最終不會嘗試在同一時刻進(jìn)行傳輸(屬于CSMA/CA的沖突避免疇)。沖突可能會發(fā)生，并且和以太網(wǎng)不同，傳輸節(jié)點可能沒有檢測到它們。因此，80

43、2.llb使用帶確認(rèn)(A咖owled腳ent，AeK)信號的“請求發(fā)送(Re職 esttosend，RTS)/清除發(fā)送 (Cleartosend，CTs)”協(xié)議，確保成功地傳輸和接收幀。(4)數(shù)字電臺常見的數(shù)字電臺采用數(shù)字信號處理、糾錯編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼片一體化設(shè)計等技術(shù)，具有高性能、高可靠與抗干擾能力強(qiáng)等特點7，電臺提供標(biāo)準(zhǔn)RS232數(shù)據(jù)口可直接與計算機(jī)、RTu、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)終端等連接，任何型號電臺可設(shè)置為主站或遠(yuǎn)程站使用，無中轉(zhuǎn)通信距離達(dá)50公里以上，能適應(yīng)室或室外的惡劣工作環(huán)境。某些型號電臺數(shù)據(jù)和話音兼容，可工作于單工、半雙工、時分雙工TDD、

44、全雙工方式，收發(fā)同頻或異頻中轉(zhuǎn)組網(wǎng)，并具有遠(yuǎn)程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)方站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。數(shù)字電臺作為比較成熟的技術(shù)，具有自己的技術(shù)特點。其最主要特點就是傳輸距離很遠(yuǎn)，可靠性比較高。因為這些優(yōu)點，數(shù)字電臺已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油天然氣生產(chǎn)，調(diào)配輸送自來水，廢水，煤氣工程，電力調(diào)度，配網(wǎng)自動化，負(fù)荷控制，鐵路通信系統(tǒng)，交通控制系統(tǒng)等等。缺點在于功耗比較大，數(shù)據(jù)傳輸受到無線電管制影響，另外施工地點的地理環(huán)境可能對傳輸距離有影響。(5)CDMA/GPRSGpRS是通用分組無線業(yè)務(wù) (Generalpaeketradioserviee)的英文簡稱，是在GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來

45、的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GsM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以與同樣的TDM流幀結(jié)構(gòu)8。GPRs允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。和現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS有幾個新特點。GPRS一個最突出的特點就是“永遠(yuǎn)在線”，GPRS采用的是分組交換技術(shù)，不需要像Modem那樣撥號連接，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才占用資源。GPRS以傳輸資料量計費(fèi)，這種計費(fèi)方式對消費(fèi)者來說更合理。 CDMAIX原意是指 CDMA2000的第一階

46、段(速率高于15一95，低于ZMbps)，可支持308kbPs的數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)部份引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務(wù)。是在現(xiàn)有cDMAIS一95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，采用GPRS/CDMAlx通信方式的移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全國各地，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，這給行業(yè)應(yīng)用帶來了廣闊的市場前景。由于各行各業(yè)的應(yīng)用特點不盡一樣，它們對信息化的需求也各有差異，這就要求移動通信運(yùn)營商提供的行業(yè)應(yīng)用解決方案不僅能夠滿足行業(yè)用戶一般化的信息通信需求，而且能夠充分滿足其個性化的特殊需求9。為此，近兩年來，中國移動和中國聯(lián)通兩大移動通信

47、運(yùn)營企業(yè)以行業(yè)用戶的需求為導(dǎo)向，積極進(jìn)行移動行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新實踐，致力于為行業(yè)用戶提供量身定做的解決方案。(6)ZigBeeZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)或802.llx無線局域網(wǎng)更簡單實用0。zigBee技術(shù)的主要特點包括以下幾個部分:數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10kbPs一250kbPs，專注于低傳輸應(yīng)用;功耗低，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上;成本低，因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本;網(wǎng)絡(luò)容量大，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255

48、個設(shè)備，也就是說每個zigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接;有效圍依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定;工作頻段靈活使用的頻段分別為2.4GHZ、868MHZ(歐洲)與gl5MHZ(美國)，均為免執(zhí)照頻段;采取了可靠的碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā);ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗 (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES一 128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。zigBee

49、是一種適用于自動化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通訊技術(shù)川，具有低成本、低耗電、雙向傳輸?shù)奶匦?，而且朝開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方向努力。另外，IEEE也將ZigBee收納為 IEEE802.巧.4標(biāo)準(zhǔn)，與ZigBee聯(lián)盟共同推動此無線低速個人通訊標(biāo)準(zhǔn)(WPAN)。Zi少ee適用于一些簡單、低成本的無線局域網(wǎng)絡(luò)，其低耗電特性，只要使用兩顆AA電池，即可維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年間不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。 IEEE802.巧.4在提出之初就強(qiáng)調(diào)簡單、廉價、低功耗:整個zigBee協(xié)議棧大小約為28kbytes，而藍(lán)牙的協(xié)議棧大小約為250kbytes，目前支持zigBee技術(shù)的芯片的價格可以控制在每片$3左

50、右，大量生產(chǎn)后，其售價可望降低至$1左右;ZigBee非常強(qiáng)調(diào)低功耗，發(fā)送時最大功耗為30mw，占空比約為0.1，用兩節(jié)普通AA電池通?？晒ぷ靼肽甑絻赡?。盡管相對于802.11、藍(lán)牙等技術(shù)而言，它的數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)?，但是對于家庭控制?yīng)用而言己經(jīng)足夠。簡單介紹之后，本文首先將幾種短距離無線傳輸手段主要特性進(jìn)行比較，如表2.1所示: zigBee是一種適用于自動化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制的無線通訊技術(shù)川，具有低成本、低耗電、雙向傳輸?shù)奶匦裕页_放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方向努力。另外，IEEE也將ZigBee收納為 IEEE802.巧.4標(biāo)準(zhǔn)，與ZigBee聯(lián)盟共同推動此無線低速個人通訊標(biāo)準(zhǔn)(WPAN)。Zi少ee適用于

51、一些簡單、低成本的無線局域網(wǎng)絡(luò)，其低耗電特性，只要使用兩顆AA電池，即可維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年間不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。 IEEE802.巧.4在提出之初就強(qiáng)調(diào)簡單、廉價、低功耗:整個zigBee協(xié)議棧大小約為28kbytes，而藍(lán)牙的協(xié)議棧大小約為250kbytes，目前支持zigBee技術(shù)的芯片的價格可以控制在每片$3左右，大量生產(chǎn)后，其售價可望降低至$1左右;ZigBee非常強(qiáng)調(diào)低功耗，發(fā)送時最大功耗為30mw，占空比約為0.1，用兩節(jié)普通AA電池通?？晒ぷ靼肽甑絻赡辍１M管相對于802.11、藍(lán)牙等技術(shù)而言，它的數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)?，但是對于家庭控制?yīng)用而言己經(jīng)足夠。簡單介紹之后，

52、本文首先將幾種短距離無線傳輸手段主要特性進(jìn)行比較，如表2.1所示: 從表2.1可以看出目前幾種主流的短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用則重點各不一樣，有的應(yīng)用于工業(yè)控制，而有的應(yīng)用于生活娛樂。設(shè)計初衷不同，導(dǎo)致了它們的性能指標(biāo)各不一樣。在本文中，需要使用近距離無線通信技術(shù)構(gòu)建一個無線采集網(wǎng)絡(luò)，不要求很高的數(shù)據(jù)傳輸率，但是對傳輸距離有一定要求，因此本文決定使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建區(qū)域采集網(wǎng)絡(luò)。至于遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，主要的手段就是CDMA/GPRS和數(shù)字電臺?？紤]到市區(qū)不能隨意使用無線電臺，加之服務(wù)器距離采集系統(tǒng)比較遠(yuǎn)，本文首先放棄了數(shù)字電臺技術(shù)。CDMA和GPRS非常相似，CDMA傳輸帶寬稍大，加之

53、該地區(qū)CDMA網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好，因此使用CDMA技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。為了更好的幫助讀者理解本系統(tǒng)的設(shè)計思想，下面本文詳述采集網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。2.2.2無線采集網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建首先，本文需要簡述ZigBee技術(shù)的模塊功能和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。根據(jù)ZigBee協(xié)議，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共有3種，它們是:(1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器:包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。(2)全功能設(shè)備(FFD):可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡功能裝置(RFD)連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器

54、的功能，可提供信息雙向傳輸。它的特點是:附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.巧.4功能和所有特征;更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由器作用;也能用作終端設(shè)備。(3)精簡功能設(shè)備(RFD):RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。它的基本特點有:附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性;在網(wǎng)絡(luò)常用作終端設(shè)備;zigBee相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD由于省掉了存和其他電路，降低了zigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。通過使用上述3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，ZigBee技術(shù)支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluste:tree

55、)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性匯2。不同網(wǎng)絡(luò)的主要特點是:(l)星型網(wǎng)支持點對點、點對多點通信;中心節(jié)點為zigBee協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點為zigBee終端設(shè)備;所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點;適合圓形分散、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。(2)網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)采用多跳式路由通信;網(wǎng)絡(luò)容量很大，可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu);該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。(3)簇狀網(wǎng)該網(wǎng)絡(luò)是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心，連接前面介紹的兩種網(wǎng)絡(luò)，功能更強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。下圖2.1表示了zigBee技術(shù)的3種組網(wǎng)方式。如圖2.1所示，zigBee技術(shù)的組網(wǎng)方式非常靈活

56、，可以依據(jù)不同的應(yīng)用需求，構(gòu)建不同類型的網(wǎng)絡(luò)?？紤]到本系統(tǒng)采集區(qū)域覆圍不是很大，按傳感器功能劃分只需要構(gòu)建一個采集網(wǎng)絡(luò)，因此本文使用星型網(wǎng)作為區(qū)域采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中RFD連接控制傳感器的數(shù)據(jù)采集電路板，而FFD則連接包含CDMA設(shè)備的區(qū)域采集控制系統(tǒng)。下面，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)功能模塊的劃分。2.3系統(tǒng)功能模塊劃分與設(shè)計站北廣場水位監(jiān)測系統(tǒng)按照模塊功能，可以分成3個部分。分別是:數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、區(qū)域采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端。如圖2.2，是整個采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。下面詳細(xì)介紹每個功能模塊的設(shè)計思想:數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，就是一臺運(yùn)行了上位機(jī)采集軟件并且接入互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)，可以放置在任何用戶需要的地方。它的主要功能是發(fā)送各種采集命令，控制另外兩種設(shè)備進(jìn)行工作以與接收采集回來的