基于ZigBee和CDMA的水情远程监测系统设计

朱 娟

(湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441000)

水旱灾害一直是人类面临的主要自然灾害之一，随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，社会对水资源需求的数量与质量要求也越来越高。当下，洪涝灾害、干旱缺水、水土流失、水污染四大水问题对我国全面建设小康社会已经构成严重制约，因此，必须利用和管理好水资源，完善水利设施，兴利避害，造福人类。

目前，水情信息的采集、监测主要有线方式和无线方式。有线方式不仅成本过高，在某些特殊地域不适合布线，且有线方式的设备的安装相对来说也很麻烦。现有的无线方式中，使用的大多是收费的频段，并且收费方式是按设备节点数计算，它们的硬件设备成本及运行成本都比较高。而本系统中采用时下新兴的zigbee无线网络组网，它使用2.4GHz的免费频段，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，极好的解决了大范围水情的监控问题。

1 水情远程监测系统硬件设计

1.1 水情远程监测系统总体设计

基于 zigbee无线传感网络的水情监测系统总体结构如图1所示，系统主要由传感器节点、中心节点、CDMA模块和监控中心组成。传感器节点任意分布在某一监测区域，多个传感器节点与一个中心节点构成zigbee通信子网，中心节点通过zigbee协议与各个传感器节点进行通信，获取各个传感器节点采集到的数据，再通过CDMA无线通信模块将数据发送到监控中心。

图1 系统总体框图

该系统能对监测站各类传感器设备兼容，初步实现（雨量信息、水位信息、电源电压信息、采集器工作状态信息）数字和模拟信号的采集，其中电源信息输入信号为0-12v,雨量、水位信号为开关量信号，要求降雨1mm触发采集计量并上传；水位计采用格雷码方式，要求变化10mm触发采集计量并上传。

1.2 网络协调器中心节点设计

中心节点也称网络协调器，它由zigbee射频收发模块、主控制器和CDMA通信模块组成。其结构图如图2所示。zigbee射频收发模块与微处理器之间采用串口中断通信，当中心节点zigbee模块收到传感器节点采集到的数据后，会通过中断触发主控制器完成接收数据、存储数据等任务，并触发CDMA模块向监控中心发送数据。网络协调器与传感器设备节点之间的通信使用zigbee无线网络，协调器与监控中心的远程通信使用CDMA网络。前者可扩大监测范围，减小成本，后者可增加通信距离，便于远程操作。

图2 中心节点结构图

中心节点zigbee射频收发模块采用TI公司的CC2530，它是TI最新推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射频收发器，该芯片工作的频率范围是2400~2483.6MHZ，支持数据传输高达250Kb/s,CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标注的8051MCU，可编程Flash存储器、8KB RAM和许多其它强大功能。CC2530有4 种不同的Flash 版本: CC2530F32 /64/128 /256，分别具有 32 /64 /128 /256 KB Flash 存储器. CC2530 比较适合需要超低功耗的系统，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点，可以实现多点对多点的快速组网，是一个真正的用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE 应用的片上系统 ( SOC) 解决方案[2]。

中心节点的主控制器采用32位ARM7微控制器LPC2210,它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器。对代码规模有严格控制的应用，可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30% ，而性能的损失却很小。由于LPC2210的144脚封装 极低的功耗 多个32位定时器 8路10位ADC PWM输出以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制医疗系统访问和控制POS机；通过配置总线LPC2210最多可提供76个GPIO，由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modern以及其它各种类型的应用。

CDMA模块由无线数据传输终端Saro6550EP CDMA DTU来实现数据传输及数据共享。该终端采用模块化设计，是基于CDMA技术的DTU，符合CDMA IS-95A/B、CDMA 20001X 空中接口标准，采用低功耗高性能的嵌入式处理器，可高速处理协议和大量数据，内嵌标准的TCP/IP协议栈， 数据终端永远在线，支持全透明方式下多中心数据传输，支持根据域名和IP 地址访问中心，多种工作模式选择，使用方便、灵活，软硬件看门狗设计，保证系统稳定，采用5V~35V 电压，供电电源适应性更宽，抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求，方便的系统配置和维护借口，支持串口软件升级和远程维护。

1.3 传感器节点设计

传感器节点也称为设备节点，它主要由zigbee射频收发模块和前端各种传感器组成。zigbee射频收发模块芯片仍使用TI的CC2530，雨量计选择北京恒奥德仪器仪表有限公司的TQY8-SL2-1， 它用来测量降雨量及降雨强度，采用单翻斗式技术原理，其输出的开关信号，通过电缆直接与数据采集系统连接。水位计采用压阻式压力传感器测得水深，从而得到即时水位值。

此外，为了增加通信距离，在中心节点和传感器节点上都要安装天线，它是zigbee射频收发模块的重要器件，系统中使用巴伦匹配电路来进行射频收发信号的匹配，天线采用效率高、结构紧凑、馈电方便的印制弯折倒F型天线，具有尺寸小、剖面低、成本低等特点。

2 系统软件设计

本系统采用的开发环境是 IAR7.6，采用的协议栈为 TI的TI-MAC-1.3.1，网络结构为星型拓扑结构，在这种拓扑结构中，有一个网络协调器和若干从设备节点，协调器负责网络的建立和维护，从设备负责通过前端传感器采集数据，当一个协调器上电开始工作时，它就会扫描信道并选择合适信道，设定一个PANID，然后启动PAN；而设备节点需要和协调器建立连接加入 PAN，为了建立连接，设备需要向协调器提出连接请求，协调器接收到设备连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的设备做出回答。只有设备与协调器建立连接后，才能实现数据的收发。此外，为了实现低功耗，设备节点采用休眠/唤醒机制，每隔30s采集一次数据，不采集数据时处于休眠模式，当定时时间到，便唤醒CPU进行数据采集和传输工作。系统软件流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

3 结束语

经过试验测试，此设计方案能满足遥测站对雨量、水位、设备供电情况的数据监测，能较好地满足用户要求。本文提出的基于ZigBee和CDMA的水情远程监测系统可同时对多个区域进行监测，而且开发成本较低、便于安装，很好的解决了传统水情监测系统中存在的布线、搬迁、成本等问题。若要扩大监控范围，可通过增加网关节点的方式来扩大子网数量，将星型拓扑改为树形拓扑。另外，本系统稍加改动也可用于农业、工业、医疗卫生等领域，具有非常广阔的应用前景。

[1] 刘辉,赵丽芬,孙番典,张品.基于CC2530的zigbee射频收发模块设计[J].云南民族大学学报:自然科学版,2012,21(6):452-456.

[2] 马福昌,冯道训,张英梅,等.zigbee和GPRS技术在水文监测系统中的应用研究[J].水利水文自动化,2008,1(3):1-4.

[3] 邓磊,王子敬,范玲俐.基于zigbee无线网络的温度采集系统设计[J].电子元器件应用,2010,2:39-40.

[4] Linlin Cuia, Yude Liub, Wentian Shi, Quan Gan, Qi Liu.Research on Data Transmission Based on CC2530 of ZigBee[J].2010 4th International Conference on Intelligent Information Technology Application:92-94