基于ZigBee的自来水监测网络系统设计与实现

彭连滔，冯锡炜，冯瑶

（辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院，辽宁抚顺113001）

随着我国经济的高速发展，水质的污染和破坏问题日趋严重，着眼于社会所需，我们研究了基于ZigBee的水质监测系统，为水质保驾护航。

水质污染问题刻不容缓，城市饮水主要是通过自来水，其中的安全隐患不容忽视，所以需要一种能随时监测水质变化的设备系统。论文探讨构建基于ZigBee技术的自来水监测网络物理结构，重点是ZigBee网关转wifi和转USB的协议转换。上位机监控功能中，实现了数据实时接收、显示以及历史数据查询，对超阈值数据，报警提示。

1 物联网ZigBee技术简介

ZigBee技术具有自组网，低功耗，延时小，多跳的特点，适用于长时间组网监测。在ZigBee网络中有3种设备，协调器（Co_ordinator）为全功能节点（FFD），负责建立网络，一个ZigBee网络只能有一个协调器，相当于蜂群结构中的蜂后，当网路建立完成后，协调器的功能相当于普通路由器（Router）。路由器负责数据的路由跳转，能够将消息发给其他j节点设备。终端节点（End device）负责数据的采集与发送。以上3种设备可以分为全功能节点（FFD）和半功能节点（RFD）[1]。

每个节点具有两个地址：

1）IEEE MAC地址

这是一种64位的地址，这个地址由IEEE组织进行分配，用于唯一的标识设备，全球没有任何两个设备具有相同的MAC地址。在ZigBee网络中，有时也叫MAC地址为扩展地址。

2）16位短地址

16位短地址用于在本地网络中标识设备，和在网络中发送数据，所以如果是处于不同的网络中有可能具有相同的短地址。当一个节点加入网络的时候将由它的父节点给它分配短地址，协调器的短地址是0。

ZigBee网路的拓扑结构主要为星状（star），树状（Cluster_tree），网格（mesh），其中星状网络不支持ZigBee路由器。不同的网络拓扑结构适用用于不同的使用环境。

2 系统体系结构

基于ZigBee的水质监测系统可以对水质进行实时的监控，整个系统由下位机监测网和上位机软件组成，下位机监测网负责数据的采集，和数据在ZigBee网络上的传输。上位机软件负责对来自监测网数据的存储，数理统计，水质参数超标实时报警，和设备运行状况的检查。系统结构如图1所示。

3 水质监测网的下位机

下位机部分由一个ZigBee转WiFi网关或一个ZigBee转USB基站，2个PH采集节点，一个温度采集节点组成。

图1 系统体系结构Fig.1 The architecture of the system

所有节点内嵌ZigBee通讯模块，在节点的通讯模块中，烧写了ZigBee协议栈的移植版，所有节点上电即进行自组网，进行数据的采集和传输。通过AT命令来指定协调器，路由器，和终端节点，以及节点的相关参数。当掉电时，能进行参数的保存。其下位采集器采用STM32，该款CPU采用的是ARM的cortex-M3内核。其具有出色的实时性能、优越的功效、高级的创新型的外设、最大的集成性。CPU工作频率最高达到72 MHz。AD采集精度为12位，充分保证了采集传感器的精度。

ZigBee通信具有通信稳定的优点[2]。增加的无线功率放大器PA可以一定意义上克服ZigBee通信距离短的问题，使得节点通信距离可以达到几千米，最大限度的保证了通信的稳定可靠和通信距离。图2和图3分别描述了ZigBee节点接收和发送数据的流程图。

图3 ZigBee节点发送数据Fig.3 ZigBee nodes send data

在下位机与PC机的衔接部分，笔记本可以用WiFi网关或ZigBee转USB基站来接收数据，对于台式机可以直接用ZigBee转USB基站来接收。

4 水质监测网的上位机

上位机界面采用C#编程，开发工具为vs2012，数据库为SQL Server。

4.1 W IFI网关接收模式

当启用WIFI网关[3-4]接受模式时，网络协议采用TCP，相比UDP稳定[5]，用socket套接字来连接PC机与WIFI网关。

当上位机软件启动时，上位机首先创线thwatchport=new Thread（listening）；用来监视，WiFi网关是否与PC机相连，若没有，则继续监听。当连接完成时，软件创建另一线程threcive=new Thread（autorecive），用于接收WiFi网关发来的数据，并随时将数据存入数据库中。

由于第一个线程不断循环查询，当WiFi网关断开，能保证WiFi网关重连时的成功，而不必重启软件。保证了系统的容错率和健壮性。

伪代码描叙如下：

Begin：IPEndPoint ipendpoint=new IPEndPoint（ip，port）；

welcomesocket=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；

welcomesocket.Bind（ipendpoint）；//绑定IP

welcomesocket.Listen（16）；

thwatchport=new Thread（listening）；//创建监听线程

thwatchport.Start（）；

listening（）//监听函数

{try

{Do while（true）

reciveSocket=welcomesocket.Accept（）；//连接

threcive=new Thread（autorecive）；//创建接收线程

threcive.Start（）；

endwhile

}

catch（ex）{print（ex.toString（）；}

}

void autorecive（）//接收函数

{StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

String strtemp=""；

Byte[]byterecieve=new Byte[1024*1024]；ncount=0；

sqloperate=new ServerSQL（）；

do while（true）

{try{

if（reciveSocket==null）break；

ncount=reciveSocket.Receive（byterecieve）；//接收数据到缓存

strtemp=Encoding.Default.GetString（byterecieve，0，ncount）；

strRecive.Append（strtemp）；

{//解析接收到的数据包

//判断设备状态，以及水质参数是否超标，如有异常，立即报警//数据存入数据库

}

}

}catch（ex）//捕获异常

{ncounterror++；

if ncounterror==5

print（"请检查网络连接，网络已断开"）；threcive.Abort（）；

endif

}

}endwhile

}

End

运行结果图：

4.2 ZigBee转USB模式

对于台式PC机，用WiFi网关接收模式固然可行，对于ZigBee网关与上位机物理距离较短时，还有另一种接收模式——ZigBee转USB模模式。只要将USB一端插入台式机的USB口，当上位机软开启时便可以接收数据。

USB接受方式的编程实现，采用的是serialPort控件[6]，直接采用事件触发的方式。

伪代码描叙如下：

Begin:

serialPortAccess.DataReceived+=new System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventHandler（autorecive）；//将事件委托函数处理

autorecive（object sender，System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e）

{

sqloperate=new ServerSQL（）；

String readdata=""；

StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

try

{

图4 无线网络接收方式监控界面Fig.4 Wireless network receiving modemonitoring interface

readdata=serialPortAccess.ReadExisting（）；//接收数据

strRecive.Append（readdata）；

{

//解析接收到的数据包

//判断设备状态，以及水质参数是否超标，如有异常，立即报警

//数据存入数据库

}

}

catch（Exception ex）print（ex.ToString（））；

}

End

运行结果图：

图5 串口接收方式监控界面Fig.5 Serialport receiving modemonitoring interface

线程和事件触发方式，和定时器定时接收方式相比，能保证数据的随到随收，无数据包遗漏现象。

对于数据的处理，可以按时间查询，并将查询到的数据进行普通的数理统计，如计算平均数，超标次数，并且能将数据查询统计结果导出生成Excel文件，方便用户进一步分析调研。

此外，上位机软件具有良好的用户界面，与异常处理，方便用户操作与使用，接收界面使用动态GIF图片制作，如图2，第一个苹果表示等待连接，第二个苹果表示已连接成功，正在接收数据，当WIFI网关掉线时，第二个苹果停止动态显示，方便用户动态感觉数据接收正在进行，当数值超标时，或设备电压不足时，软件亦能及时弹出报警窗口。

5结论

基于ZigBee的自来水监测网能有效对自来水水质进行实时监测，设计实现了系统的网络结构，完成了传感器数据采集、传输、查询显示以及报警等系统功能。通过网络传输传感器的数据采用两种方式：WiFi网关的socket方式和ZigBee转USB的serialPort方式。两种方式都能实现数据的实时传输的实时接收，基于线程的socket，使用了线程轮转循环的方式，能有效防止WiFi网关掉线，并提醒用户。此时接收线程threcieve终止，监听线程thwatchport依旧循环，等待WiFi网关重新连接。

下一阶段工作的重点，围绕完善系统功能和扩展系统应用展开：

对于下位机网络，采集节点数目不够多，参数种类也不够丰富。在PANID，信道，和数据包一致的情况下，可以不断加入新的节点，增加下位机网络的功能。

对于数据传输，利用GPRS网[7]，通过GPRS短信直接通知水质超标等情况，亦可以将ZigBee网络转为3G或4G网络[8]，使数据传输的方式变得灵活多样。

在上位机功能部分，丰富数据查询统计方式，添加系统日志管理，改进异常情况的友好提示等。丰富客户端的操作平台，延伸至Web方式，以及基于移动终端的App应用。对于已经采集的数据，可以进行数据挖掘，和大数据运算，研究当地经济，生活的状态。

[1] 姜仲，刘但.ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术[M].北京:清华大学出版社，2014.

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[3] 胥嘉佳，许鸣.基于网关的ZigBee和WiFi互通设计[J].电子科技，2014，27（6）:22-25.XU Jia-jia，XU Ming.An interconnection design for Zigbee and WiFi based on gateway[J].Electronic Science and Technology，2014，27（6）:22-25.

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[6] 李江全，邓红涛，刘巧，等.Visual C#.NET串口通信及测控应用典型实例[M].北京:电子工业出版社，2012.

[7] 孙学宏，车进，张成.基于GPRS的水利数据采集及远程监控系统研究[J].安徽农业科学，2009，37（36）:18057-18059.SUN Xue-hong，CHE Jin，ZHANG Cheng.Research on the water conservancy data-collecting and remote n onitor system based on GPRS[J].Journal ofAnhui Agri.Sci，2009，37（36）:18057-18059.

[8] 孙宏志，王学成，刘一萌，等.基于3G无线传输的测震台站监控设备的研制[J].地震工程学报，2014，36（2）:387-392 SUN Hong-zhi，WANG Xue-cheng，LIU Yi-meng，et al.The design and realization of a type of monitoring equipm ent for seismic stations based on 3G wireless data transmission[J].China Earthquake Engineering Journal，2014，36（2）:387-392.