基于ZigBee和CDMA的水情遠程監測系統設計

朱 娟

(湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北 襄陽 441000)

水旱災害一直是人類面臨的主要自然災害之一，隨著我國國民經濟的高速發展，人民生活水平的不斷提高，社會對水資源需求的數量與質量要求也越來越高。當下，洪澇災害、干旱缺水、水土流失、水污染四大水問題對我國全面建設小康社會已經構成嚴重制約，因此，必須利用和管理好水資源，完善水利設施，興利避害，造福人類。

目前，水情信息的采集、監測主要有線方式和無線方式。有線方式不僅成本過高，在某些特殊地域不適合布線，且有線方式的設備的安裝相對來說也很麻煩。現有的無線方式中，使用的大多是收費的頻段，并且收費方式是按設備節點數計算，它們的硬件設備成本及運行成本都比較高。而本系統中采用時下新興的zigbee無線網絡組網，它使用2.4GHz的免費頻段，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，極好的解決了大范圍水情的監控問題。

1 水情遠程監測系統硬件設計

1.1 水情遠程監測系統總體設計

基于 zigbee無線傳感網絡的水情監測系統總體結構如圖1所示，系統主要由傳感器節點、中心節點、CDMA模塊和監控中心組成。傳感器節點任意分布在某一監測區域，多個傳感器節點與一個中心節點構成zigbee通信子網，中心節點通過zigbee協議與各個傳感器節點進行通信，獲取各個傳感器節點采集到的數據，再通過CDMA無線通信模塊將數據發送到監控中心。

圖1 系統總體框圖

該系統能對監測站各類傳感器設備兼容，初步實現（雨量信息、水位信息、電源電壓信息、采集器工作狀態信息）數字和模擬信號的采集，其中電源信息輸入信號為0-12v,雨量、水位信號為開關量信號，要求降雨1mm觸發采集計量并上傳；水位計采用格雷碼方式，要求變化10mm觸發采集計量并上傳。

1.2 網絡協調器中心節點設計

中心節點也稱網絡協調器，它由zigbee射頻收發模塊、主控制器和CDMA通信模塊組成。其結構圖如圖2所示。zigbee射頻收發模塊與微處理器之間采用串口中斷通信，當中心節點zigbee模塊收到傳感器節點采集到的數據后，會通過中斷觸發主控制器完成接收數據、存儲數據等任務，并觸發CDMA模塊向監控中心發送數據。網絡協調器與傳感器設備節點之間的通信使用zigbee無線網絡，協調器與監控中心的遠程通信使用CDMA網絡。前者可擴大監測范圍，減小成本，后者可增加通信距離，便于遠程操作。

圖2 中心節點結構圖

中心節點zigbee射頻收發模塊采用TI公司的CC2530，它是TI最新推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射頻收發器，該芯片工作的頻率范圍是2400~2483.6MHZ，支持數據傳輸高達250Kb/s,CC2530集成了業界領先的RF收發器、增強工業標注的8051MCU，可編程Flash存儲器、8KB RAM和許多其它強大功能。CC2530有4 種不同的Flash 版本: CC2530F32 /64/128 /256，分別具有 32 /64 /128 /256 KB Flash 存儲器. CC2530 比較適合需要超低功耗的系統，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點，可以實現多點對多點的快速組網，是一個真正的用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE 應用的片上系統 ( SOC) 解決方案[2]。

中心節點的主控制器采用32位ARM7微控制器LPC2210,它是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器。對代碼規模有嚴格控制的應用，可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30% ，而性能的損失卻很小。由于LPC2210的144腳封裝 極低的功耗 多個32位定時器 8路10位ADC PWM輸出以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業控制醫療系統訪問和控制POS機；通過配置總線LPC2210最多可提供76個GPIO，由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟modern以及其它各種類型的應用。

CDMA模塊由無線數據傳輸終端Saro6550EP CDMA DTU來實現數據傳輸及數據共享。該終端采用模塊化設計，是基于CDMA技術的DTU，符合CDMA IS-95A/B、CDMA 20001X 空中接口標準，采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協議和大量數據，內嵌標準的TCP/IP協議棧， 數據終端永遠在線，支持全透明方式下多中心數據傳輸，支持根據域名和IP 地址訪問中心，多種工作模式選擇，使用方便、靈活，軟硬件看門狗設計，保證系統穩定，采用5V~35V 電壓，供電電源適應性更寬，抗干擾設計，適合電磁環境惡劣的應用需求，方便的系統配置和維護借口，支持串口軟件升級和遠程維護。

1.3 傳感器節點設計

傳感器節點也稱為設備節點，它主要由zigbee射頻收發模塊和前端各種傳感器組成。zigbee射頻收發模塊芯片仍使用TI的CC2530，雨量計選擇北京恒奧德儀器儀表有限公司的TQY8-SL2-1， 它用來測量降雨量及降雨強度，采用單翻斗式技術原理，其輸出的開關信號，通過電纜直接與數據采集系統連接。水位計采用壓阻式壓力傳感器測得水深，從而得到即時水位值。

此外，為了增加通信距離，在中心節點和傳感器節點上都要安裝天線，它是zigbee射頻收發模塊的重要器件，系統中使用巴倫匹配電路來進行射頻收發信號的匹配，天線采用效率高、結構緊湊、饋電方便的印制彎折倒F型天線，具有尺寸小、剖面低、成本低等特點。

2 系統軟件設計

本系統采用的開發環境是 IAR7.6，采用的協議棧為 TI的TI-MAC-1.3.1，網絡結構為星型拓撲結構，在這種拓撲結構中，有一個網絡協調器和若干從設備節點，協調器負責網絡的建立和維護，從設備負責通過前端傳感器采集數據，當一個協調器上電開始工作時，它就會掃描信道并選擇合適信道，設定一個PANID，然后啟動PAN；而設備節點需要和協調器建立連接加入 PAN，為了建立連接，設備需要向協調器提出連接請求，協調器接收到設備連接請求后根據情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的設備做出回答。只有設備與協調器建立連接后，才能實現數據的收發。此外，為了實現低功耗，設備節點采用休眠/喚醒機制，每隔30s采集一次數據，不采集數據時處于休眠模式，當定時時間到，便喚醒CPU進行數據采集和傳輸工作。系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

3 結束語

經過試驗測試，此設計方案能滿足遙測站對雨量、水位、設備供電情況的數據監測，能較好地滿足用戶要求。本文提出的基于ZigBee和CDMA的水情遠程監測系統可同時對多個區域進行監測，而且開發成本較低、便于安裝，很好的解決了傳統水情監測系統中存在的布線、搬遷、成本等問題。若要擴大監控范圍，可通過增加網關節點的方式來擴大子網數量，將星型拓撲改為樹形拓撲。另外，本系統稍加改動也可用于農業、工業、醫療衛生等領域，具有非常廣闊的應用前景。

[1] 劉輝,趙麗芬,孫番典,張品.基于CC2530的zigbee射頻收發模塊設計[J].云南民族大學學報:自然科學版,2012,21(6):452-456.

[2] 馬福昌,馮道訓,張英梅,等.zigbee和GPRS技術在水文監測系統中的應用研究[J].水利水文自動化,2008,1(3):1-4.

[3] 鄧磊,王子敬,范玲俐.基于zigbee無線網絡的溫度采集系統設計[J].電子元器件應用,2010,2:39-40.

[4] Linlin Cuia, Yude Liub, Wentian Shi, Quan Gan, Qi Liu.Research on Data Transmission Based on CC2530 of ZigBee[J].2010 4th International Conference on Intelligent Information Technology Application:92-94