基于ZigBee的多參數雨水監測儀的設計

摘 要：針對目前已有的雨水監測儀監測參數單一和實時性差等問題，基于ZigBee和多傳感器集成技術，設計了一種多參數雨水監測儀。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，并將這些數據通過ZigBee網絡不間斷無線傳輸到監控中心進行顯示和存儲，實現多傳感器的接入、各種參數的自動采集與不間斷遠程無線傳輸等功能。該裝置通信可靠，監測精度高，能有效地輔助監測人員對雨水年徑流總量控制率、非傳統水資源利用率、相關設備和設施狀態的監測與管理。

關鍵詞：PH值;流量;液位;多傳感器集成;ZigBee網絡

雨水監測系統是海綿城市的重要組成部分，持續的在線監測數據是科學分析海綿城市建設成效的重要依據。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測系統的建設效果。

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，實時采集各監測點雨水參數和雨水處理設備的運行狀況，采用ZigBee網絡將數據傳輸到監控中心，解決了監測數據單一和實時性差等問題，具有監測數據全面和靈活性高等優點，為后續雨水監測管理提供基礎數據支撐，提高后期雨水回收利用效率。

1 多參數雨水監測儀總體方案設計

雨水監測儀主要由傳感器模塊、信號調理模塊、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字信號，傳輸給微控制器。微控制器進行數據處理，將結果本地顯示在LED顯示屏上并通過ZigBee通信模塊無線傳輸到監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。該芯片具有業界標準的增強型的高性能和低功耗的8051微控制器內核，具有8KB SRAM，具備各種供電方式下的數據保持能力。256KB的系統內可編程閃存。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。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（SoC）解決方案，適應2.4GHz IEEE802.15.4的RF收發器，RF內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絡節點，只需極少的外接元件和一個晶振，即可形成一個滿足網狀網絡需求的簡單應用系統。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。參考電壓可以是內部電壓、AVDD或是一個單端或差分外部信號。ADC可以自動執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 信號調理模塊設計

信號調理模塊選擇型號為CM4016的16通道振動信號調理模塊，用于動態信號測試系統的前級信號調理。其與傳感器直接相連，對傳感器采集到的動態信號進行調理，輸入量程為±10V。該模塊為系統前端信號提供程控增益、抗混疊濾波和AC/DC耦合等功能。其內部采用獨特雙層設計，將數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。該傳感器采用工業在線電極，電極前端為平面結構，易于清洗。內置溫度傳感器，可以自動溫度補償，適合在線長期監測環境使用。

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，進行調控。其適合各種控制器和開發板，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。其具有優良的抗干擾能力，高穩定可靠特性，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的多參數雨水監測儀利用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測雨水的水質和處理設備的運行狀況，并遠程傳輸到監控中心，為海綿小區的建設評估、運行管理分析提供數據支撐。

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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：物聯網、計算機控制。