簡訊+陳建云

摘要：自20世紀70年代以來，自動化監(jiān)控技術在泵站工程中得到應用研究開始，經過近50年科學技術的飛速發(fā)展，其設計水平不斷提高，應用范圍也不斷擴大?，F(xiàn)今，泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)已初具規(guī)模，并朝著高度智能化、集成化的方向發(fā)展。集監(jiān)測、控制、保護、管理于一體的泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的應用。ZigBee技術是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無線傳感技術，它適合于數(shù)據(jù)量比較小、不方便長距離現(xiàn)場的一種布線、不便頻繁的更換電池、充電的泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中。該文的研究有利于提高信息獲取的速度和精度，便于及時準確的預報、決策和優(yōu)化速度。具體可以提高三個方面：節(jié)省了有線敷設的材料和工時；改善工作環(huán)境；智能化。

關鍵詞：泵站；自動化監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）14-0053-03

近些年來，隨著國民經濟的發(fā)展和科學技術水平的進步，我國水利信息化建設正在逐步的進步，泵站信息自動化技術也有了突飛迅猛的進步。ZigBee技術不僅在智能家居上得到了廣泛的應用，還在農業(yè)監(jiān)控控制領域得到了應用，例如農業(yè)精準、無人值守等方面，但是這些研究或科研大多是在高?；蛘呖蒲醒芯克醒芯?，并沒有真正的用在實際中。通過ZigBee技術的方式傳遞數(shù)據(jù)是一種比較理想的選擇，ZigBee技術是一種無線通信技術，無線與有線相比具有：成本低、通信距離遠、不易老化、沒有鑿墻鉆孔布線的煩惱等優(yōu)點。本文所研究的是基于ZigBee技術的泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，具有價格低廉，操作方便簡單，易學易懂，且性能穩(wěn)定的ZigBee技術的泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，有較好的應用前景和實際中的應用。

1系統(tǒng)架構

ZigBee網(wǎng)絡拓撲選型：ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構支持3種功能設備，分別為協(xié)調器、路由器、以及終端設備。ZigBee技術有指定一個標準：物理層、MAC層、網(wǎng)絡層及應用層（APL）。IEEE802.15.4僅是處理低級的MAC層（控制層）和物理層協(xié)議，ZigBee協(xié)議不僅能處理1EEE802.15.4，還能處理比較高級的網(wǎng)絡層協(xié)議和APL層（應用層）協(xié)議。ZigBee標準協(xié)議框架結構如圖1所示。

根據(jù)實際的應用需要，ZigBee網(wǎng)絡可以構成三種拓撲結構：星型網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構以及樹狀網(wǎng)絡拓撲結構。本文是采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構構成泵站自動化監(jiān)控統(tǒng)。如圖2所示。

系統(tǒng)分為兩個部分：監(jiān)控中心和控制區(qū)域。系統(tǒng)的整體架構如圖3所不。

監(jiān)控中心：上位機和匯聚節(jié)點安裝在監(jiān)控中心。匯聚節(jié)點和控制區(qū)域內的采集控制節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉發(fā)給上位機；上位機具體顯示采集信息，實現(xiàn)觸屏控制和屏幕點擊控制。把上位機發(fā)送的電磁閥控制指令，轉發(fā)給相應的采集控制節(jié)點。匯聚節(jié)點和上位機通過RS-232串口進行有線通信。為了保證通信可靠，無線通信技術采用了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構進行了組網(wǎng)。

控制區(qū)域：控制區(qū)域例如實驗室根據(jù)實際需要，被控制的地方，需要脈沖電磁閥、空氣溫濕度傳感器等各元器件。通過采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳給上位機；上位機接受數(shù)據(jù)之后，就發(fā)送命令給脈沖電磁閥，以此來控制電磁閥的開啟和關閉。以達到泵站自動化監(jiān)控目的。

2系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)總體的設計要求，采集控制節(jié)點的功能是：采集通過模擬信號處理器所處理的傳感器的數(shù)據(jù)。ZigBee模塊通過一系列傳輸和發(fā)送，以此控制脈沖電磁閥的開啟和關閉，系統(tǒng)ZigBee節(jié)點硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

以ZigBee模塊為中心，ZigBee模塊通過模擬信號處理電路，將數(shù)據(jù)傳輸給傳感器；另一方面，ZigBee模塊通過輸出控制電路，來控制脈沖電磁閥的開啟和關閉。電源通過電源處理電路，把外部電源轉換為適合于ZigBee模塊各節(jié)點上不同元器件所需要的電壓。RS232通訊接口電路用于ZigBee模塊和PC機，將進行串口通信。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡之間通信協(xié)議的設計

在本系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中，匯聚節(jié)點和采集控制節(jié)點之間采用MSG信息幀進行節(jié)點之間的通信。函數(shù)申明如此：

3.2通訊協(xié)議設計—匯聚節(jié)點和上位機

本文考慮到開發(fā)產品具有通用性，便于查詢，本系統(tǒng)選擇公司提供的通信協(xié)議。串口通信選擇使用Modbus RTU協(xié)議。

Modbus通信數(shù)據(jù)幀：Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主從協(xié)議。有兩種通訊模式可以使用即ASCII和RTU通訊模式，本文選用RTU串行通訊模式，Modbus RTU信息幀結構如表1所示：

地址碼：地址碼是信息幀的第一字節(jié)（8位），數(shù)據(jù)范圍從0到255。

功能碼：主機發(fā)送的功能碼告訴從機執(zhí)行什么任務。

數(shù)據(jù)區(qū)：由從機采集的返送信息和需要從機執(zhí)行什么動作。

錯誤校驗碼：用校驗碼接收信息是否出錯。

4系統(tǒng)的調試與分析

4.1節(jié)點編號設置

硬件、軟件設計完成后，對系統(tǒng)的整體功能進行調試，然后再對節(jié)點進行程序下載。程序下載之后，要對每個采集控制節(jié)點設置編號，方便上位機通過編號來具體顯示采集信息，實現(xiàn)觸屏控制和屏幕點擊控制，進而為了方便上位機通過編號對其進行訪問。波特率修改如圖5所示。編號設置界面如圖6所示。

系統(tǒng)工作時，節(jié)點和上位機也是通過RS232串口連接，串口參數(shù)配置和圖5一樣。

4.2系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊測試

波特率和超級終端匹配好之后，需要進行網(wǎng)絡通訊測試。上位機使用Modbus Poll進行測試。Modbus Poll界面如圖7所示。

如圖8所示，L1顯示黃燈，L2顯示綠燈，L3顯示紅燈，則表示系統(tǒng)通訊成功。從而能準確的預報和決策泵站的液位信息的顯示。

5總結與展望

本文的研究，不僅有利于提高信息獲取的速度和精度，便于及時準確的預報、決策和優(yōu)化速度。具體可以提高三個方面：節(jié)省了有線敷設的材料和工時；改善工作環(huán)境；智能化；還能夠監(jiān)測泵站水位、揚程等實驗室的工作環(huán)境，為精準農業(yè)調控提供了科學的依據(jù)。本文對無線傳感器和網(wǎng)絡協(xié)議技術分析的基礎上，提出了基于ZigBee技術的泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的研究。由于我的知識面的限制和實踐經驗不足，所研究的這套系統(tǒng)還有一些不足之處，需進一步完善的工作如下：第一，在規(guī)模比較大的網(wǎng)絡節(jié)點同時工作過程中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延長，在網(wǎng)絡節(jié)點多時，這在一定程度上影響了控制命令的立即響應；第二，系統(tǒng)在調試時，有時會有一些信號的干擾，這樣就會造成誤碼，在一定程度上影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。