无线水位监测系统的设计与实现.docx
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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，也是全球第一个对数字调制方式、网络结构
和业务种类进行标准化的数字蜂窝移动通信系统。
（3）无线射频身份识别系统（RadioFre明eneyIdent饭cationSystem，简称RFn〕）:
邵ID
是针对常用接触式识别系统缺点加以改良。
（4）蓝牙技术（bluetooth）:
一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的
短距离无线连接为基础，可为固定或移动的终端设备提供廉价的接入服务。
川
（5）红外线通讯技术（LDA）:
一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，
主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。
（6）NFC（NearFieldCommunieation，近距离无线传输）:
由PhiliPs、NoKIA和Sony主
推的一种类似于R日D（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术标准。
（7）ZigBee技术:
zigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过
跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。
（8）Wi一Fi技术，wi一Fi（WirelessFidehty，无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是
正EESO2.llb，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。
水位监测属于水利土木安全监测的一个分支，是一项有重大实际意义的研究课题。
目前，随着嵌入式技术和无线通信技术的飞速发展，水利土木安全监测手段也同样得到
了快速的发展。
从最早的人工观测，到使用电缆传输数据的有线观测方法，再到现在的
无线监测系统，可以说新技术层出不穷。
国内外己经有大量的文章研究了将嵌入式技
术应用于安全监测领域的课题，也有了很多相关产品的问世。
第二章系统总体设计方案
在感应式水位传感传统应用中，需要给传感器接上电源线、地线和信号线，即使用
户不需要水位数据，传感器也始终处于工作状态。
这样一来传感器的功耗很大，而且当
水位监测点比较分散，地理环境恶劣时电缆安装将十分繁琐，并且安装电缆本身就会增
加成本，还会给未来的检修和维护带来很多麻烦。
介于如上问题，本系统的设计思路是:
（1）采用无线通讯和太阳能供电，无需安装电缆。
（2）采用低功耗的微控芯片和无线传输方式，在硬件上降低功耗。
（3）控制系统处于“休眠”和“唤醒”状态，平时下位机处于“休眠”状态，当用户需要水位数
据并向下位机发出水位采集命令时，下位机才被“唤醒”，从工作方式上降低功耗。
（4）测量下位机功耗和太阳能电池板、蓄电池的供电能力，为下位机选择最为经济而且
满足系统能够长期正常可靠工作要求的太阳能电池板和蓄电池。
系统总体设计方案
在项目开始之前，首先认真分析了用户的实际需求，确保用户提出的需求是可以实
现的，接着实地考察了大连站北广场的地形结构，然后综合考虑本研究室的技术实力、
产品开发周期、产品成本、产品维护以及升级的方便程度等因素，提出了本文的设计方
案。
1系统总体设计
无线数据传输水位监测仪要求是长时间无人职守的
监测系统，需要及时采集数据，即从传感器和其它待测设
备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。
数据
采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵
活的、用户自定义的测量系统。
监测仪的水位传感器的量
程范围为0-2m；水位分辨率为lmm；在采集数据后，系统
需要将数据传向远端服务器。
系统应用一种高性能、低功耗的单片机，对各个部分
进行自动控制，以降低仪器的整体功耗。
定时部分完成监
测周期的时间设定。
当定时时间到达时，仪器内部的自控
电路将自动接通单片机、传感器、放大器和A/D转换器的
电源，依次选通各路模拟信号，完成放大和A/D转换，并
将A/D转换后得到的数字信号经单片机的数据总线调入
单片机内部，由单片机处理后存入RAM（数据存储器）内
保存。
当通讯程序启动后，按照通讯程序的指令将存储器
内的数据进行发送，或按指令将计算机的当前时间及下
次数据采集时间和间隔下传至时钟芯片或相应的寄存器
中。
系统设计原理如图1所示
2系统器件选择
2.1MSP430系列单片机选择
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（TI）近几
年开发的新一代16位单片机，具有强大的处理能力、系
统工作稳定、丰富的片上外围模块、方便高效的开发环
境、多种时钟模块，适应工业级运行环境。
其突出优点是
低电源电压、超低功耗、较高的性能价格比，非常适合各
种功耗要求较低场合的应用。
该系列单片机典型应用是
智能仪器仪表、医疗设备、保安系统和家电等方面。
本系
统采用MSP430F149单片机。
2.2GSM模块
目前，我国已基本上建成了可以覆盖全国大多数省
区面积的移动通讯网络，特别是在人口众多、经济发达的
城市周边地区，移动通讯网络覆盖面积几乎接近100%。
TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，
自带RS-232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机
通讯，可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语
音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。
TC35
模块的工作电压为3.3—5.5V,可以工作在900MHz和
1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2w（900M）和1w
（1800M）。
2.3传感器选型
传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律
将其转换成可用输出信号的器件或装置。
水位监测仪的
传感器长期置于水井内，一般的传感器极易结垢和腐蚀
氧化。
故传感器的主体材料应为特制合金，工作环境的水
温要求在－20～60℃之间。
压力式水位传感器的输出为4～
20mA（4mA对应最大水位，20mA对应最小水位）电流信
号，只需二芯电缆即可传输该信号，且压力式水位传感器
体积小巧，一般其直径约为30mm，长度约为150mm，安装
时只要简单地将其投入至水中即可。
即使为了保护传感
器免受外力损坏，也只需用直径为50mm的镀锌钢管作
为护套，费用较低，故决定选择压力式水位传感器，如图3
所示。
TCYB系列投入式扩散硅压力变送器选用著名美国
ICSensors公司高精度、高稳定性扩散硅压力传感器组件，
变送器由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成，当外加
压力时，被测介质的压力直接作用于传感器的压力芯片
上，使压力芯片产生与介质压力成正比的微小位移，电子
线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于
这一压力的标准工业测量信号，再经信号处理电路对其
补偿、放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准
电压输出信号，可直接与MSP430F149单片机A/D输入通道P6口连接，单片机的A/D转换模块将输入的模拟量
转换为相应的数字量。
原理如图4所示。
3系统硬件电路设计
通过系统框图可以看出：
整个系统包括电源及复位
模块、串口模块、A/D采集模块、控制模块、GSM模块和串
行存储器模块。
整个系统的供电电压为5V，单片机等芯
片的供电电源电压为3.3V，而TC35的供电电源电压为
3.6V，这样电源部分有两个稳定的电压输出，并且3.6V电
压的供电电流必须能达到2A以上，这是由GSM模块的
峰值电流所要求的。
复位监控部分为系统在开机时提供
复位信号，并监控系统工作的电压是否正常，当不正常时
使系统复位，系统通过串口O与GSM模块接口，通过串
口1与PC通信，在与PC通信时，需要考虑电平转换。
系
统通过单片机的A/D通道采集来自传感器的数据；通过
控制继电器的状态来控制设备的工作状态。
此外，系统通
过串行存储器来记录数据。
硬件系统主要包括电源模块、串口模块、采集控制模
块、GSM模块、串行存储器模块及CPU控制模块。
4系统软件设计
主要由数据采集、通信两大模块组成，通信又为分
GSM通信和PC机通信两种，设计上主程序由数据采集、
与GSM通信处理两部分，而与PC机通信（配置命令）则
通过中断方式实现。
主程序流程框图如图5所示。
本文的无线节点按照用途可以分为终端节点、
路由节点和基站。
终端节点将采集到的信息无线发
送出去,路由节点中继、转发接收到的信息,然后由
基站交与计算机处理,图1是无线水位监测系统示
意图
1.1 终端节点
终端节点主要任务是采集、发送水位信息。
液
位变送器JYB-KO-TAG将水位信息转换成电信号,
交与CC2430的14位模数转换的ADC进行模数转
换,CC2430的8051微控制器核进行信息处理,最后
由符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电
收发机射频发送水位信息。
1.2 路由节点
路由节点开启CC2430的RF无线电收发机中
继、转发来自基站的命令、来自终端节点的水位信
息。
路由节点的加入,组成无线网络,监测信息在这
个无线网络中不断地延伸、传递,使通信距离增加,
监控范围增大。
1.3 基站
基站通过CC2430的串行通信接口（USART）,与
计算机进行通信,完成用户的命令指示,通过
CC2430的RF无线电收发机与终端节点进行命令、
采集信息的交互,完成水位信息的采集。
2 无线水位监测系统软件设计
无线水位监测系统软件的设计主要由终端节
点、基站和计算机监控软件设计发组成。
终端节点
接收基站命令,实施采集作业;基站功能是传达用户
指令,收集终端节点信息;计算机监控软件主要是负责下达系统命令,监控水位信息,实施报警警示
用户。
2.1 终端节点软件
终端节点软件根据基站的命令进行相应的任务
采集作业,然后将采集到的信息无线发送出去,这些
信息包括水位信息、自身电量信号,其中节点信息包
括电量信息,目的是便于用户维护系统,及时更换节
点或者节点电池,其具体的软件流程图如图2所示。
2.2 路由节点软件
路由节点负责信息的转发,包括基站的命令和
终端节点的任务信息,并根据基站的命令采集自身
的电量信息,以确定是否由其承担路由功能。
软件
的流程图如图3所示。
2.3 基站软件
基站软件主要包括串口通信、无线收发两个模
块。
串口通信协议如表1所示。
协议每个字节含义如下:
（1）起始位:
标识一个控制信息的开始,包括两
个字节,分别设置为0x40和0x00。
设备地址:
标识信息的目标设备,根据实际情况
进行设置。
目前暂时定义为0x00为广播地址,0x01
为采集设备地址,0x02为计算机地址。
（2）功能码:
标识信息的功能,0x01为采集频率
控制,0x02为电压数值传输。
功能码为0x01:
数据位中数据为采集频率。
当
高位和低位全部为0X00时表示采集停止,否则数据
表示多少秒采集一次数据。
功能码为0x02:
数据位中数据为电压值,数值
为实际电压值的1000倍。
（3）数据位:
包括数据高位和数据低位,首先使
用数据低位。
（4）CRC校验:
对起始位、设备地址、功能码和数
据位进行计算得出的8bitCRC值。
基站软件根据以上的通信协议与计算机通信,
并根据相应的命令,转发给终端节点相应的任务,然
后接收终端节点的采集信息,其流程图如图4所示。
2.4 计算机监控软
升级会员 