无线水位监测系统的设计与实现

第一章绪论1.1课题研究的背景和意义我国洪水灾害频繁，给国家和人民生命财产造成了重大损失。为增加洪水有效预见期，提高水文预报的精度，及时准确地为防汛和水利水电调度提供科学的依据，20世纪70年代我国开始建设水情自动测报系统。水位测报系统对充分发挥防汛减灾，合理利用水资源具有十分重要的意义。水情测量数据是重要的水文参数，水位测量的精度和实时性，直接影响到水库防洪安全、发电灌溉等。我国水资源不平衡，幅员辽阔，地理环境复杂，地区经济发展不平衡，水位测量工作仍存在一些困难。在大型发电站、重要水文站水位测量技术相对先进一些，而普通的报汛站和水文监测站的测量技术仍处于比较落后的状态，水文站测洪能力不适应监测大规模洪水的要求。至90年代初，我国很多地方水文测报设施经过几十年的运行，大多处于陈旧老化的报废状态，出现了设施破烂不堪、难以承担日常水文测报工作的局面。近年来，在国家计委和水利部的关心下，我国水文建设项目增多，建设步伐加快，使得水文测报设施破旧落后的状况得以改善。但距离水文工作现代化还有很大的距离。在新形势下，水位检测要求稳定和准确，传感器必须准确的检测到水位信息，并通过变送器把水位数据准确无误的呈现给观测人员。因此传感器能否准确地检测水位、稳定运行就成为了关键。1.水位监测的基本发展情况有些国家水位监测技术依然处于比较落后的状态，在很多地区的河流、湖泊或水库，还在使用比较落后的监测设备，有些地方还在通过人工采集水文数据，这显然不能满足现代化水位监测的要求。水文监测有它特定的应用背景，一般都在比较偏僻的区域，这使得很难通过架设有线来完成数据传输，在这种情况下，使用无线通信是一种很好的选择。当前使用的GPRS、GSM、微波和数传电台等都有一定范围的使用，但它们都有其适用的局限性。随着无线传感器网络概念的提出，以及水文监控网络化的需求，ZigBee技术在水文监测领域的应用成为了可能，并具有其它几种无线技术不可比拟的优势。2.国外水位监测技术发展现状20世纪70年代后期，随着微型计算机和单片机的出现和发展水位监测技术有了较快的发展。1976年美国SM公司与美国气象局合作研制的一套水位自动监测设备。80年代以来，由于遥控设备、数据传输方式和微机技术的进一步发展，水位监测和防洪调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。90年代以后，国际上多家公司退出了功能强、应用范围广的产品，在水利水电、气象等领域都适时得到应用。在国外，美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国家。美国既是工业先进、通讯、交通网非常发达的国家，又是幅员广大、人口密度不均的国家。因此各种制式、各种通信方式的测报系统均比较发达。其中自报式超短波系统、卫星平台获得广泛的应用，而且美国是大面积使用流星余迹通信进行水文遥测的唯一国家。使用卫星的系统如极轨卫星环境数据(包括水文数据)收集系统ARGos系统，及大量气象同步卫星平台，均可进行水文数据传输。近年美国的suTRON公司被美国海洋和大气局(NOAA)授权研制下一代水位测量系统州GwLMs)。该系统将会集成目前的海平面及大流域测量网络，用最先进的传感器，卫星传输手段，集中数据处理及接收。日本在37万kmZ的国土面积上，建有26个雷达雨量站，2500个地面雨量站和2100个水位站，观测范围覆盖整个日本。这些测站采用先进的监测设备，数据通过遥测系统传输到工事事务所，收集全国的水文信息仅用10分钟，且每小时更换一次信息，事务所也可以通过监视器察看测站的运行情况。所有测站均实现无人值守，其监测系统集成化和综合程度比较高。对于水文监测系统的开发和研制，国外发达国家始终处于领先地位，其特点是:系统发展比较完善，传感器测报设备先进可靠;通信方式多样化且十分先进;分析预报技术成熟并积极采用各种先进的技术。在监测设备方面，国外的数据采集终端除了具有数据的自动采集、存储、处理和传输这些基本功能外，在传感器集成、多参数采集、监测设备智能化方面技术也比较成熟。3.国内水位监测技术发展现状我国水文监测系统的建设包括三个阶段:初级阶段、发展阶段和网络化阶段。二十世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。水文信息化从1980年开始，起步于信息源的处理。八十年代中后期开始的十余年为发展期。九十年代后期，为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算机和网络技术高速发展的时代特点，水文监测系统的建设进入了网络化阶段。2001年，水利部印发了《全国水利信息化规划纲要》，提出了全国水利信息化的发展思路。在水利系统的信息化工作中，防汛信息系统建设起到了先锋带头作用。目前，从水利部机关到各流域、各省市实现了水情、雨情信息的网络化传输，实现了信息的自动化接收、处理和分析。在国家防汛指挥系统工程项目的总体设计中，提出了在全国将建立224个水情分中心、228个雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定规模的水情、雨情信息自动测报系统。我国的水文监测系统建设经过近三十年的发展经验积累，虽然已经取得了巨大的进步，但总体来说，大部分地区的水文监测系统的建设还不够合理和完善，整体水平仍相对落后，与西方发达国家还存在着很大的差距，信息采集、传输手段和技术比较落后，信息时效性差，不能满足当今对水文数据实时、快速、准确监测的要求。1.5论文的结构安排本文分七章对基于ZigBee和GPRS的无线水文监控系统进行了分析和设计，主要章节内容安排如下:第一章，首先论述了本课题的背景背景和意义，然后介绍了国内外水文监测技术的发展现状，接着分析了水文监测系统中常用的几种无线组网技术，提出了ZigBee无线水文监控系统中的应用方案，最后对论文的结构安排进行了说明。第二章，对IEEE802.巧.4网络协议标准的PHY和MAC层进行了分析，然后介绍了ZigBee协议栈的结构，为以后的设计打好基础。第三章，从系统的功能和性能需求分析出发，提出了系统的总体设计方案，对系统的组成、工作原理和系统特点等方面进行了详细的分析。第四章，对网络协调器节点的硬件进行了分析和设计，分为最小系统设计和外围接口电路设计两部分，对各个电路的芯片选型、特点、电路设计原理等进行分析和介绍，并给出了各个电路的电路原理图或示意图。第五章，对网络协调器节点的软件进行了分析和设计，首先提出了软件的整体结构，然后依次介绍了软件开发环境的建立、林c/os一n嵌入式操作系统在LPc2210上的移植、SMAC协议栈的移植、系统应用程序的设计等。其中，系统应用程序设计中，对系统任务进行了划分，分析了任务间的通信方式，然后对各个任务进行了详细的分析和设计，并给出了软件的流程图。第六章，给出了ZigBee在水文监测系统中的应用实例，首先分析了传感器终端节点的设计，对水文传感器进行了选型，然后分析了终端节点的软件设计，最后，从通信距离数据传输丢包率两个方面对该应用实例进行了实验和性能分析。第七章，对本论文研究工作进行了总结，并对系统今后进一步的工作进行了展望。国内外研究现状随着嵌入式技术的飞速发展，无论是在国内还是国外，嵌入式技术都己经得到了广泛地应用，其可靠性也得到了广泛地验证[3]。嵌入式技术应用于水利土木监测领域，为各种安全监测提供了强有力的技术支持。但是国内外这方面的研究成果还是具有一定的差距。主要体现在，国际先进水平的水利土木安全监测系统，己经得到了广泛的应用，形成了一定的市场规模和占有率。国际上处于领先水平的技术相对于国内技术的优势在于:传感器技术更先进，监测系统的整体设计能力更强，从业公司比较多，市场认知度比较高。国内这方面的研究目前开展的也很多，发展相对来说也很快，市场前景也比较看好。嵌入式平台大多都是发达国家提供的产品，国内在平台设计方面比较落后，但是本研究室也能够接触到国际上比较先进的嵌入式平台，能够为系统构建良好的硬件基础。在无线通信技术方面，也可以接触到国际上比较先进的无线通信技术。1.2.1水位传感器方面实际工程中常用的水位传感器主要有以下几种类型【，，4，5，6]:1浮体式水位传感器这类传感器是根据水的浮力来实现水位采样的。它的结构特点是必须有浮体浮于水面。其采集水位信号的原理是:浮体浮于水面随水升降，同理浮体随水位移的信号，通过浮体以一定方式传递出去，实现水位采集。浮体式水位传感器依据浮体传递水位信号方式的不同，又可划分为不同种类。浮子式光纤水位传感器是一种常见的浮体式水位传感器。浮体式水位传感器的主要缺点有两个:一是冬季结冰时无法正常工作;二是无法在流动的水中测量水位，需建测井。2压阻式水位传感器水具有压力，并且水的压力与水的深度成正比，利用水的这一性质采集水位信号的传感器，被称为压阻式水位传感器。压阻式水位传感器水位取样的基本原理是基于单晶硅材料的压阻效应。也就是说，半导体单晶硅在受到水的压力后，其电阻会发生改变，且改变量与水的压力成正比。压阻式水位传感器灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非电量测量技术中非常重要的检测手段。这类传感器的主要缺点是，在大应变状态中有较明显的非线性，输出信号弱，故抗干扰能力差。3传热式水位传感器这类传感器是基于水的导热特性而研制的。水的导热速度与空气相比差别很大，若将功率一定的发热体分别置于水及其同温的空气中，发热体表面的温度显著不同，即发热体在水中的表面温度低于其在空气中的温度，发热体功率越大，差别就越明显。这种根据传热原理研制的传感器，是将水位测量转化为温差测量。这种传感器能满足可靠性的要求，但精确度较低。4超声波水位传感器超声波水位传感器是根据水能传播声波的特性研制的。超声波水位传感器采集水位信号的原理是:传感器内部放射源向水表面发射超声波，水反射部分回波，这种反射波被同一传感器探测，并转换成电信号。这种传感器适用于腐蚀性液体的测量。5导电式水位传感器自然界的水具有导电性，人们利用水的导电性研究出了各种水位传感器，人们把这些水位传感器统称为导电式水位传感器。这类传感器采集水位信号的基本原理是利用水的导电性将水位信号转换成电信号。转换方式有两种:一种是将水位变化转换成电容变化;另一种是利用水位变化与电极接触，来实现水位信号到电信号的转变。根据水位信号转换成电信号的不同方式，导电式水位传感器可分为两种类型:·电容型和电接触型。(1)电容型水位传感器这种传感器是利用的水的导电性，把水构成电容器的一个极板，将水位变化转换成电容变化来检测水位信号的。电容式水位传感器的测量电路常见的有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。与其它水位传感器相比，电容型水位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、对恶劣环境适应性强等优点。(2)电接触型水位传感器电接触型水位传感器是依靠水的导电性来采集水位信号的。它利用水的导电性，通过水位变化与相应的电极接通，把水位信号转换成电信号。依靠电极与水接通拾取水位信号，也是这种传感器的特点。电极用金属材料制成，纵向依次排列在空芯棒外或安装在棒内，但必须使电极能够与水接触。电接触型水位传感器结构简单。安装使用都很方便、性能较稳定、价格低廉，因此备受用户欢迎。经过几十年的发展，水位传感器的种类繁多，但能够在水位数据的采集时就实现数字化的却很少见，太原理工大学测控技术研究所马福昌教授等人研制的MFC系列水位传感器就是其中较为突出的一类，该类传感器现在仍居国内外领先地位。“感应式水位传感器”就是是其中的一种，该传感器应用数字化数据采集的新技术，采用全数字化电路，通过刻度采集水位信号，从开始采集水位信号就实现了数字化，经过内部电路处理，输出电流信号，由于从采集水位信号到输出的信号是全数字的，数字信号受温度的影响很小，不但解决了微弱信号抗干扰的问题，而且也基本克服了温度漂移问题。传感器信号输出采用国际数字信息化网络标准接口电路。1.2.2目前流行的无线传输技术(l)数传电台(dataradio):借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电匕头口0(2)GPRs(GeneralPacketRadioservice)通用分组无线业务:一种基于包的无线通讯服务。GSM:第二代蜂窝移动通信系统，也是全