ZigBee無線漏水監測系統的設計

張彥軍，喬 銳，翟成瑞，朱珊珊，杜依林

（1.中北大學a.儀器與電子學院；b.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.北京機電工程研究所，北京 100076）

0 引言

我國漏水檢測系統市場上主要是有線、智能化程度低、能量損耗較大的漏水檢測系統，在應用環境中存在許多不足：當檢測系統安裝成功后，檢測距離和檢測范圍會因為是有線連接方式而被限制；更重要的是系統的智能化程度低，無法對漏水節點的工作狀態、系統線路連接狀態進行實時且準確的監控；無法方便提供泄露位點位置信息，監控靈敏度和泄漏的定位精度也很低。

漏聲檢測和負壓波等方法能夠在一定程度上對漏液進行檢測，但它們仍然有局限性，這些檢測方法容易受環境因素的干擾，很難在復雜的管道環境中發揮作用。而光纖液漏傳感器可以抵抗輻射和電磁干擾，可以滿足復雜環境下的漏水監測。

ZigBee 技術是一種短距離無線雙向通信物聯網技術，此技術不但協議簡單、組網的能力較強，且網絡容量很大卻功耗低。它還具有網絡延時短、安全且可靠以及成本低等優點。路徑自由選擇、自動連接網絡及自我恢復等功能也是它的特點［1-3］。

利用ZigBee 技術和光纖液漏傳感器技術，設計了基于Zigbee技術的無線漏水監測系統，利用LabVIEW軟件設計了上位機管理終端應用軟件的功能［4］，可以實現機房、倉庫、管道等復雜環境下的無線漏水檢測，系統具備組網靈活、安裝簡易、成本低廉、可擴展性強、智能化程度高等優點。

1 系統總體設計

無線漏水監測系統由光纖傳感器、光電轉換器、數據采集處理模塊、ZigBee無線收發模塊和上位機組成，系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

監測系統的感知層是光纖傳感器，傳感器主要由柔性LED燈帶和帶有側向耦合結構的聚合物光纖組成，側向耦合結構被LED 流水燈點亮，形成一系列傳感單元，光通過側向耦合結構進入聚合物光纖中，當LED和耦合結構之間的介質改變時，光纖輸出光強改變，輸出光功率隨之改變，可對漏水事件進行檢測［5-6］。光纖液漏傳感器對漏水信號采集后，由光電轉換器將光信號轉成電流信號輸入信號處理模塊中的運放、濾波等一系列信號調理電路，調理后的信號經A/D模塊，由單片機控制發送到無線發送節點。無線協調器通過ZigBee 傳感網絡接收來自發送節點的信息。協調器通過UART串口通信將收回來的信息在上位機上實時顯示，用戶可在上位機上觀察數據。

2 硬件設計

硬件設計部分主要是對光電轉換來的微弱信號進行處理和通信組網，主要由運算放大電路、主控制器電路，還有無線通信等電路設計組成。

2.1 運算放大電路

針對光纖液漏傳感器經光電轉化器來的信號由AD8304 搭建的對數放大電路進行優化和放大［7］。專門的光電二極管接口和內部集成的溫度補償電路使得信號轉換精度大大提高。光電二極管輸入的微小的電流信號經過這個對數運算放大，完成電流到電壓對數比的轉換。電路設計如圖2 所示。信號二級放大之前使用OPA375 電壓跟隨電路可以起到隔離和緩沖的作用。

圖2 對數運算放大

2.2 主控制電路

主控電路如圖3 所示，單片機采用32 bit STM32-F103RDT6，該芯片用ARM Cortex M3 內核，擁有很多的內置部件，包括：72 MHz 的工作頻率，64 Kbyte FLash，JTAG和SWD 調試接口［8-9］。通用片上外設使得系統電路元器件配置少且簡單。電源電路、MCU、復位電路、晶振電路和SW 下載調試接口電路組成了它的最小系統電路。

圖3 主控外圍電路圖

2.3 無線通信電路

系統中無論發送節點還是接收協調器通信模塊采用低功耗高性能的CC2530，它集成了IEEE802.15.4標準2.4 GHz 頻段的RF 無線電收發機，射頻調制模式DSSS（直接序列擴頻模式），提供了一套廣泛的外設集，包括8 通道12 bit A/D 轉換器和21 個通用GPIO、2 個USART接口、128 bit AES 加密解密安全協處理器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器，因此，構建一個ZigBee 節點的外圍電路是很簡單的［10］。圖4 是其通信原理圖。

圖4 無線通信電路原理圖

CC2530 作為無線通信傳輸主控芯片，對通信網絡的信號進行匯聚、轉發、接收與采集，可以極大地增強通信的寬帶與覆蓋范圍。每個無線節點之間在通電之后會自動組成一個多跳的無線網絡，每個節點都可以給網絡中任意一個節點發送數據，網絡中任何節點發生故障不會影響整個網絡的運行狀態，具有很強的自我修復能力。印版天線的可視單跳通信距離為60 m，系統使用的是IPEX 接口天線，單跳通信距離達到90 m。ZigBee網絡中最大可以支持180 個節點組成的網絡，每個節點的地址可以通過Uart 進行修改，信道和網絡ID必須相同，即可進行組網。網絡會自動進行選擇最優的路徑進行數據的傳輸。如圖5 所示為其組網流程圖。

圖5 組網流程圖

3 軟件設計

這里主要說明系統終端應用軟件上位機的設計。系統主要采用labVIEW 虛擬儀器軟件平臺來實現漏水監測功能［11-13］。上位機主要功能是實時對光纖漏水傳感器采集到的數據進行監測，如果監測節點發生漏水，上位機軟件會及時發出報警警示，同時會在上位機面板窗口顯示漏水節點信息和精確位置數據，極大地方便了用戶及時查找和補救。軟件工作程序框圖如圖6 所示。

圖6 軟件工作程序框圖

上位機軟件還設計了其他功能包括：數據分析和處理模塊，參數信息的配置，數據查詢模塊等，軟件界面如圖7 所示，節點連接成功會顯示已連接并且指示燈會變綠；當檢測到漏水時波形圖會發生變化，同時，漏水的指示燈會變紅，漏水位置信息顯示漏水具體位置。參數配置里可以對節點進行擴充，以滿足用戶多節點的檢測漏水。

圖7 軟件界面圖

4 系統測試及結果分析

4.1 通信模塊性能測試

ZigBee無線傳輸模塊的測試主要是測量漏水監測系統中設備是否能夠順利進行無線通信傳輸和傳輸數據時丟包率的情況等，以衡量系統通信的可靠性和穩定性［14-16］。實驗測試過程將每個無線發送節點模塊下載好發送包程序，協調器節點通過uart 在串口調試終端顯示接收的信息。改變無線發送節點與接收器的距離，記錄測量結果見表1。

表1 通信模塊性能測試結果

經過上面的實驗可以得出節點的每個主要功能模塊都可以進行良好的工作，且協調器節點和終端節點的通信狀態和通信能力都滿足實際應用的預期設想。為改進通信質量，增大傳輸距離，在網絡中布置一個路由器，再次測試，發現傳輸距離可達到60 m，且丟包率小于3%，當系統需要節點增加時，可以考慮增加路由器來提高傳輸質量。如圖8 所示，是將無線節點放入鋁合金外殼進行單點測試，最終可以確定監測有效最大距離是50 m。

圖8 監測距離測試

4.2 漏水監測系統整體性能測試

本課題設計的漏水檢測系統是基于無線傳感網絡技術，因此不僅要對無線傳感網絡中的通信模塊進行測試，還要對系統的整體可靠性、系統的靈敏度（系統響應時間）以及定位精確度等根據實際應用進行測試。實驗過程中將系統各個部分連接起來，進行漏水模擬實驗。保持系統設備處于正常監控狀態，以24 h為時間間隔進行測試，考查系統的長時間持續工作能力，并記錄系統反應時間和定位讀數。隨機抽取測試當天的兩組實驗數據記錄見表2。

表2

結果表明，如果系統供電正常的話，就可靠性來說，一旦出現漏水系統能夠在6 s 之內為用戶提供報警信號。系統工作狀態整體比較好，并沒有產生明顯錯誤信息和異常現象，可以得出系統在實際應用中具有良好的可靠性和穩定性。

4.3 系統定位分析

系統定位方式為基于LED 燈帶順序掃描的尋址定位方式。程序控制的LED 燈一方面給光纖提供光源，而另一方面就是將程控的LED燈號和監測漏水的位置點進行信息編幀；圖9 所示為收回的幀數據。

圖9 HexEdit軟件數據結果

每個無線節點控制對應燈帶上的LED燈，如果發生漏水，燈號對應的數據會發生變化，燈號對應一定的距離，上位機會將對應編幀好的信息解析出來，并與對應的設定上下限進行比較，判定該位置是否發生漏水，對定位測量數值和實際漏點位置數據進行分析，如圖10 所示。由誤差值柱狀圖可以看到系統定位誤差在17 cm之內。

圖10 定位誤差圖

5 結語

本文設計了一種基于物聯網的無線傳輸漏水監測系統。物聯網前端感知基礎主要是利用光纖傳感器對漏水信號感知采集，而網絡層則充分利用ZigBee 的低功耗特點進行無線網絡組網通信，充分展示了本系統組網的靈活、安裝的簡單、成本的低廉和檢測節點擴展方便等優點。應用層則利用labVIEW軟件對系統終端監測管理軟件上位機進行設計，用戶可以很方便地對漏水信息和系統工作狀態進行實時監測。系統測試表明，該系統可以實現遠距離低功耗漏水監測，系統測試運行的靈敏度和可靠性、穩定性都極高。監測區域50 m之內發生漏水，系統會在平均反應時間6 s而且定位誤差在17 cm之內實現對漏點的檢測。