基于ZigBee的自來水監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于ZigBee的自來水監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要：基于ZigBee的自來水水質監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器采集數(shù)據(jù)，用ZigBee網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡和USB基站長距離傳送到上位機。通過對自來水水質進行實時的監(jiān)控，存儲水質參數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計，以及超閾值報警提示等功能。相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，能有效節(jié)省人工，且更能保證水質監(jiān)測的實時性，有效性，連貫性。關鍵詞：Zigbee;水質監(jiān)測網(wǎng);網(wǎng)關;serialPort隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水質的污染和破壞問題日趨嚴重，著眼于社會所需，我們研究了基于ZigBee的水質監(jiān)測系統(tǒng)，為水質保駕護航。水質污染問題刻不容緩，城市飲水主要是通過自來水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時監(jiān)測水質變化的設備系統(tǒng)。論文探討構建基于ZigBee技術的自來水監(jiān)測網(wǎng)絡物理結構，重點是ZigBee網(wǎng)關轉wifi和轉USB的協(xié)議轉換。上位機監(jiān)控功能中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時接收、顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，對超閾值數(shù)據(jù)，報警提示。1物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術簡介ZigBee技術具有自組網(wǎng)，低功耗，延時小，多跳的特點，適用于長時間組網(wǎng)監(jiān)測。在ZigBee網(wǎng)絡中有3種設備，協(xié)調(diào)器(Co_ordinator)為全功能節(jié)點(FFD)，負責建立網(wǎng)絡，一個ZigBee網(wǎng)絡只能有一個協(xié)調(diào)器，相當于蜂群結構中的蜂后，當網(wǎng)路建立完成后，協(xié)調(diào)器的功能相當于普通路由器(Router)。路由器負責數(shù)據(jù)的路由跳轉，能夠將消息發(fā)給其他節(jié)點設備。終端節(jié)點(Enddevice)負責數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。以上3種設備可以分為全功能節(jié)點(FFD)和半功能節(jié)點(RFD)。每個節(jié)點具有兩個地址：1)IEEEMAC地址這是一種64位的地址，這個地址由IEEE組織進行分配，用于唯一的標識設備，全球沒有任何兩個設備具有相同的MAC地址。在ZigBee網(wǎng)絡中，有時也叫MAC地址為擴展地址。2)16位短地址16位短地址用于在本地網(wǎng)絡中標識設備，和在網(wǎng)絡中發(fā)送數(shù)據(jù)，所以如果是處于不同的網(wǎng)絡中有可能具有相同的短地址。當一個節(jié)點加入網(wǎng)絡的時候將由它的父節(jié)點給它分配短地址，協(xié)調(diào)器的短地址是0。ZigBee網(wǎng)路的拓撲結構主要為星狀(star)，樹狀(Cluster_tree)，網(wǎng)格(mesh)，其中星狀網(wǎng)絡不支持ZigBee路由器。不同的網(wǎng)絡拓撲結構適用用于不同的使用環(huán)境。2系統(tǒng)體系結構基于ZigBee的水質監(jiān)測系統(tǒng)可以對水質進行實時的監(jiān)控，整個系統(tǒng)由下位機監(jiān)測網(wǎng)和上位機軟件組成，下位機監(jiān)測網(wǎng)負責數(shù)據(jù)的采集，和數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡上的傳輸。上位機軟件負責對來自監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)理統(tǒng)計，水質參數(shù)超標實時報警，和設備運行狀況的檢查。系統(tǒng)結構如圖1所示。3水質監(jiān)測網(wǎng)的下位機下位機部分由一個ZigBee轉WiFi網(wǎng)關或一個ZigBee轉USB基站，2個PH采集節(jié)點，一個溫度采集節(jié)點組成。所有節(jié)點內(nèi)嵌ZigBee通訊模塊，在節(jié)點的通訊模塊中，燒寫了ZigBee協(xié)議棧的移植版，所有節(jié)點上電即進行自組網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過AT命令來指定協(xié)調(diào)器，路由器，和終端節(jié)點，以及節(jié)點的相關參數(shù)。當?shù)綦姇r，能進行參數(shù)的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的cortex-M3內(nèi)核。其具有出色的實時性能、優(yōu)越的功效、高級的創(chuàng)新型的外設、最大的集成性。CPU工作頻率最高達到72MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。ZigBee通信具有通信穩(wěn)定的優(yōu)點。增加的無線功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問題，使得節(jié)點通信距離可以達到幾千米，最大限度的保證了通信的穩(wěn)定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖。在下位機與PC機的銜接部分，筆記本可以用WiFi網(wǎng)關或ZigBee轉USB基站來接收數(shù)據(jù)，對于臺式機可以直接用ZigBee轉USB基站來接收。4水質監(jiān)測網(wǎng)的上位機上位機界面采用C#編程，開發(fā)工具為vs2012，數(shù)據(jù)庫為SOLServer。4.1WIFI網(wǎng)關接收模式當啟用WIFI網(wǎng)關接受模式時，網(wǎng)絡協(xié)議采用TCP，相比UDP穩(wěn)定，用socket套接字來連接PC機與WIFI網(wǎng)關。當上位機軟件啟動時，上位機首先創(chuàng)線thwatchport=newThread(listening);用來監(jiān)視，WiFi網(wǎng)關是否與PC機相連，若沒有，則繼續(xù)監(jiān)聽。當連接完成時，軟件創(chuàng)建另一線程threcive=newThread(autorecive)，用于接收WiFi網(wǎng)關發(fā)來的數(shù)據(jù)，并隨時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。由于第一個線程不斷循環(huán)查詢，當WiFi網(wǎng)關斷開，能保證WiFi網(wǎng)關重連時的成功，而不必重啟軟件。保證了系統(tǒng)的容錯率和健壯性。偽代碼描敘如下：運行結果圖：4.2ZigBee轉USB模式對于臺式PC機，用WiFi網(wǎng)關接收模式固然可行，對于ZigBee網(wǎng)關與上位機物理距離較短時，還有另一種接收模式——ZigBee轉USB模模式。只要將USB一端插入臺式機的USB口，當上位機軟開啟時便可以接收數(shù)據(jù)。USB接受方式的編程實現(xiàn)，采用的是serialPort控件，直接采用事件觸發(fā)的方式。偽代碼描敘如下：運行結果圖：線程和事件觸發(fā)方式，和定時器定時接收方式相比，能保證數(shù)據(jù)的隨到隨收，無數(shù)據(jù)包遺漏現(xiàn)象。對于數(shù)據(jù)的處理，可以按時間查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)進行普通的數(shù)理統(tǒng)計，如計算平均數(shù)，超標次數(shù)，并且能將數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計結果導出生成Excel文件，方便用戶進一步分析調(diào)研。此外，上位機軟件具有良好的用戶界面，與異常處理，方便用戶操作與使用，接收界面使用動態(tài)GIF圖片制作，如圖2，第一個蘋果表示等待連接，第二個蘋果表示已連接成功，正在接收數(shù)據(jù)，當WIFI網(wǎng)關掉線時，第二個蘋果停止動態(tài)顯示，方便用戶動態(tài)感覺數(shù)據(jù)接收正在進行，當數(shù)值超標時，或設備電壓不足時，軟件亦能及時彈出報警窗口。5結論基于ZigBee的自來水監(jiān)測網(wǎng)能有效對自來水水質進行實時監(jiān)測，設計實現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、查詢顯示以及報警等系統(tǒng)功能。通過網(wǎng)絡傳輸傳感器的數(shù)據(jù)采用兩種方式：WiFi網(wǎng)關的socket方式和ZigBee轉USB的serialPort方式。兩種方式都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)膶崟r接收，基于線程的socket，使用了線程輪轉循環(huán)的方式，能有效防止WiFi網(wǎng)關掉線，并提醒用戶。此時接收線程threcieve終止，監(jiān)聽線程thwatchport依舊循環(huán)，等待WiFi網(wǎng)關重新連接。下一階段工作的重點，圍繞完善系統(tǒng)功能和擴展系統(tǒng)應用展開：對于下位機網(wǎng)絡，采集節(jié)點數(shù)目不夠多，參數(shù)種類也不夠豐富。在PANID，信道，和數(shù)據(jù)包一致的情況下，可以不斷加入新的節(jié)點，增加下位機網(wǎng)絡的功能。對于數(shù)據(jù)傳輸，利用GPRS網(wǎng)，通過GPRS短信直接通知水質超標等情況，亦可以將Z