熊萬

摘 要：水文監(jiān)測是水文信息化的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是減小洪澇災(zāi)害損失的重要環(huán)節(jié)。為了滿足水文監(jiān)測中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、有效性、可靠性要求，文中提出了利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及W5500以太網(wǎng)模塊組成的監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水文信息實(shí)時(shí)監(jiān)測的方案。該系統(tǒng)著重于采集前端測量設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理后再通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。真正實(shí)現(xiàn)了水文監(jiān)測的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和準(zhǔn)確化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；W5500；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

水既可以養(yǎng)育生命，同時(shí)又可能因?yàn)榈貏?、地形和季風(fēng)的影響而引發(fā)洪澇災(zāi)害為國家和人民造成無法挽救的損失。在這樣的背景下，建立完善的水文監(jiān)測系統(tǒng)就顯得格外重要。最初完全是通過人工的方式來對某區(qū)域的降水量，水的深淺度、流動(dòng)速度以及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，但對一些人煙稀少以及環(huán)境比較惡劣的地方不適宜采取人工方式來監(jiān)測，人工記錄的數(shù)據(jù)也不能實(shí)時(shí)反映河水的變化，同時(shí)也可能因?yàn)槿斯な韬龆鴮?dǎo)致嚴(yán)重的后果。

針對人工監(jiān)測的缺陷，文中提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，且事實(shí)證明該水文監(jiān)測系統(tǒng)能有效解決江河流域及水庫洪水報(bào)警及防洪調(diào)度的問題。也可以根據(jù)不同的監(jiān)控要求，在河流的不同地方安裝相應(yīng)的傳感器來滿足監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化和智能化需求。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

水文監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由中央控制器、以太網(wǎng)傳模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)組成。中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由它來發(fā)送命令和處理數(shù)據(jù)；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)則是整個(gè)系統(tǒng)的眼睛，用來采集前端測量設(shè)備的數(shù)據(jù)；ZigBee協(xié)調(diào)器用以組建ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)并負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)和中央控制器的數(shù)據(jù)交互；以太網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)中央處理器與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)的收發(fā)首先要通過以太網(wǎng)模塊進(jìn)行打包和解析；上位機(jī)則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由 ZigBee節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)通過串口連接發(fā)送給中央控制器STM32，其后STM32對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，最后由W5500以太網(wǎng)模塊通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)控中心和信息中心。

2.2 中央控制器

中央控制器用STM32F103系列芯片作為微控制器，集成Flash和SRAM寄存器的ARM Cortex-M3內(nèi)核，與8/16位單片機(jī)相比具有更高的代碼效率，更先進(jìn)的內(nèi)核構(gòu)架，可以運(yùn)行μC/OS等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。最高工作頻率為72 MHz，擁有3種低功耗模式，支持串行和JTAG調(diào)試模式。擁有12通道的DMA控制器，并支持定時(shí)器ADC、DAC、SPI、IIC和USART等外設(shè)。

2.3 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)模塊中我們使用韓國WIZnet公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片W5500。因?yàn)樵撔酒狭宋鍖訁f(xié)議中的前四層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，并在其內(nèi)部利用硬件實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，用戶只需控制W5500中的寄存器即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。這樣可以降低主芯片的負(fù)載且無需移植繁瑣的TCP/IP協(xié)議。

W5500支持硬件TCP/IP協(xié)議，包括TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE，TCP/IP協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)，使得應(yīng)用協(xié)議的實(shí)現(xiàn)更簡單容易；另外8個(gè)獨(dú)立的Socket可同時(shí)工作在不同的工作模式，并且支持掉電模式，可以網(wǎng)絡(luò)喚醒，最大程度地減少功率消耗和發(fā)熱；支持高速SPI接口（SPI MODE 0，3），且SPI的時(shí)鐘最高可達(dá)80 MHz，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率。

W5500模塊原理圖如圖3所示，包含W5500協(xié)議棧芯片及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ-45（HR911105A），可以使用80 MHz高速SPI的方式與中央控制器STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

由于在系統(tǒng)中需要測量的數(shù)據(jù)很多，并且分布的地點(diǎn)也相應(yīng)較多，因此需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來對其測量。鑒于這幾個(gè)特點(diǎn)，可以建立ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。

該模塊采用CC2530芯片，該控制器是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)。內(nèi)部具有8 KB的RAM，32、64或128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存且支持硬件調(diào)試。其還擁有強(qiáng)大的5通道DMA，1個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)8位定時(shí)器，1個(gè)MAC定時(shí)器專為MAC或其他協(xié)議而設(shè)。還具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，21個(gè)通用I/O引腳。且CC2530用128位的AES算法進(jìn)行加密或解密，從而保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的安全，也保證了通信的安全性能。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的作用是建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)；路由器則連接協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)用來采集前端測量設(shè)備的數(shù)據(jù)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能擁有一個(gè)協(xié)調(diào)器，其路由器和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度而自行選擇。在系統(tǒng)中，如果測量點(diǎn)的距離比較近，可以采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若比較復(fù)雜則可采用樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該模塊的原理圖如圖4所示。

圖4中，XOSC_Q1和XOSC_Q2引腳之間接的是32 MHz晶振，P2_3和P2_4引腳之間接的是32.768 kHz，另外在CC2530芯片內(nèi)部還含有一個(gè)32 kHz和一個(gè)16 MHz的晶振，因此整個(gè)電路可以工作在4個(gè)不同的時(shí)鐘下，這樣便可以在不同的狀態(tài)下切換不同的時(shí)鐘以實(shí)現(xiàn)低功耗的目的，不同時(shí)鐘可以通過寄存CLKCONCMD的配置來實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)鐘源。一般在無線通信時(shí)用外部32 MHz晶振。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以選用小型超大容量的SD卡來存儲(chǔ)測量的數(shù)據(jù)，以便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.6 電源模塊設(shè)計(jì)

由于在水文系統(tǒng)的測量中，其測量點(diǎn)一般放置在條件比較惡劣和無人看管的境況中，所以對于節(jié)點(diǎn)可采用太陽能和雙鋰電池互補(bǔ)的方式進(jìn)行供電。在有太陽的情況下太陽能可以邊供電邊充電，而在晚上和陰雨天可以啟用電池供電。因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用的是低功耗設(shè)計(jì)，所以可以采用該方式進(jìn)行長期供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可以分為數(shù)據(jù)的采集與接收；數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及發(fā)送；上位機(jī)系統(tǒng)3個(gè)部分。其流程圖如圖5所示。

3.1 數(shù)據(jù)的采集與接收

數(shù)據(jù)的采集與接收可以通過ZigBee模塊組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中采用ZigBee 2007協(xié)議棧，在IAR For MCS-51的環(huán)境中采用C語言編程。

首先需要采用ZigBee協(xié)調(diào)器建立一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立完畢后ZigBee路由器和終端節(jié)點(diǎn)才可以加入到網(wǎng)絡(luò)中，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)均有自己唯一的ID，這樣即可避免不同的網(wǎng)絡(luò)之間受到通信的干擾。協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)不同的功能可以通過編譯時(shí)選擇不同的選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。

終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)以后觸發(fā)ZDO_STATE_CHANGE事件，在對該事件進(jìn)行處理時(shí)就會(huì)調(diào)用用戶任務(wù)函數(shù)App_ProcessEvent（ ），在這個(gè)函數(shù)中會(huì)周期性的獲取每個(gè)傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)打包后通過無線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過AF_INCOMING_MSG_CMD事件來接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給中央處理器。

3.2 數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)及發(fā)送

數(shù)據(jù)的處理在STM32中完成，其通過對應(yīng)的發(fā)送和接收協(xié)議來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。然后將數(shù)據(jù)存入SD卡中。在此利用開源的FATFS文件系統(tǒng)，F(xiàn)ATFS是面向小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用FAT文件系統(tǒng)，其完全由ANSI C語言編寫并完全獨(dú)立于I/O介質(zhì)。通過STM32中相應(yīng)的庫函數(shù)對SD進(jìn)行初始化，隨后通過文件系統(tǒng)來讀數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的讀和寫操作。

數(shù)據(jù)的發(fā)送需要W5500模塊來完成，因?yàn)閃5500中自身帶有TCP/IP協(xié)議，所以操作十分方便。STM32與W5500之間通過SPI的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過對W5500中寄存器的操作即可完成STM32與互聯(lián)網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的交互。

3.3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、命令下發(fā)等功能?？梢酝ㄟ^HTML、CSS、JavaScript以及VC的開發(fā)來建立Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢及與信息中心的數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié) 語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，并可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能控制。該方案可運(yùn)用于河道水文監(jiān)測、湖泊水文監(jiān)測、防洪防汛監(jiān)測等，有助于解決水文監(jiān)測所面臨的難題。

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