基于ZigBee的多参数雨水监测仪的设计

摘 要：针对目前已有的雨水监测仪监测参数单一和实时性差等问题，基于ZigBee和多传感器集成技术，设计了一种多参数雨水监测仪。该装置通过PH值传感器、流量传感器和液位传感器采集雨水的PH值、流量和液位，通过电流传感器和电压传感器采集雨水处理设备的运行状况，并将这些数据通过ZigBee网络不间断无线传输到监控中心进行显示和存储，实现多传感器的接入、各种参数的自动采集与不间断远程无线传输等功能。该装置通信可靠，监测精度高，能有效地辅助监测人员对雨水年径流总量控制率、非传统水资源利用率、相关设备和设施状态的监测与管理。

关键词：PH值;流量;液位;多传感器集成;ZigBee网络

雨水监测系统是海绵城市的重要组成部分，持续的在线监测数据是科学分析海绵城市建设成效的重要依据。面对量大面广的设施设备，采用全人工方式进行巡检、维护会极大地降低雨水监测系统的建设效果。

本装置高效集成PH值传感器、流量传感器和液位传感器、电流传感器和电压传感器，实时采集各监测点雨水参数和雨水处理设备的运行状况，采用ZigBee网络将数据传输到监控中心，解决了监测数据单一和实时性差等问题，具有监测数据全面和灵活性高等优点，为后续雨水监测管理提供基础数据支撑，提高后期雨水回收利用效率。

1 多参数雨水监测仪总体方案设计

雨水监测仪主要由传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、微处理器、LED显示器和ZigBee无线传输模块构成。传感器模块检测雨水的PH值、流量和液位，电流传感器和电压传感器检测雨水处理设备的运行状况。信号调理模块将传感器模块检测到的微弱信号转换成电信号，进行放大后传输给A/D转换模块。A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号，传输给微控制器。微控制器进行数据处理，将结果本地显示在LED显示屏上并通过ZigBee通信模块无线传输到监控中心进行显示和存储。所有的模块由电源模块进行供电。雨水监测仪的结构如图1所示。

2 微控制器

微控制器选择CC2530F256作为MCU。该芯片具有业界标准的增强型的高性能和低功耗的8051微控制器内核，具有8KB SRAM，具备各种供电方式下的数据保持能力。256KB的系统内可编程闪存。其具有三种不同的供电模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。并且，CC2530F256还具有强大的5通道DMA功能，支持硬件调试。

3 ZigBee通信模块设计

CC2530F256 是用于2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，适应2.4GHz IEEE802.15.4的RF收发器，RF内核控制模拟无线模块，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，只需极少的外接元件和一个晶振，即可形成一个满足网状网络需求的簡单应用系统。接收灵敏度和抗干扰性极高，可编程的输出功率高达4.5dBm。

4 ADC模块

CC2530F256具有8路输入可配置分辨率的7～12位ADC。分别在30kHz或4kHz的带宽。DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。当使用ADC时，端口0的引脚必须配置为ADC模拟输入。

5 信号调理模块设计

信号调理模块选择型号为CM4016的16通道振动信号调理模块，用于动态信号测试系统的前级信号调理。其与传感器直接相连，对传感器采集到的动态信号进行调理，输入量程为±10V。该模块为系统前端信号提供程控增益、抗混叠滤波和AC/DC耦合等功能。其内部采用独特双层设计，将数字信号和模拟信号及供电电路分割开来，可以有效地避免相互干扰，提高系统测试精度。

6 LCD液晶显示屏设计

LCD液晶显示屏选择带中文字库的128×64LCD液晶显示屏，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。

7 传感器模块设计

PH值传感器选择Y532-B在线数字PH值传感器，其具有测量范围宽、精度高、线性度好、通用性好、使用方便、便于安装、价格适中等特点。该传感器采用工业在线电极，电极前端为平面结构，易于清洗。内置温度传感器，可以自动温度补偿，适合在线长期监测环境使用。

流量传感器选择型号为RB-02S034的水流传感器，流量范围为0～6L/Min，输出信号为脉冲信号，使用电压为DC24V。其主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给微控制器，由控制器判断水流量的大小，进行调控。其适合各种控制器和开发板，与CC2530F256微控制器连接只需极少的外围电路。

液位传感器选择型号为JYB-KO-L的投入式静压液位传感器。其基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。测量范围为0～300m，供电电压为DC24V，输出信号为4～20mA。

电流传感器选择型号为CA-33-A55-A2-A1的电力专用电流传感器，其工作电源AC220V。测量三相三线交流电流，输入信号范围为0-5A，50Hz的交流电，输出信号为0-5mA。其具有优良的抗干扰能力，高稳定可靠特性，输出精度≤±0.2%额定输出。

电压传感器选择型号为CV-33-V35-V2-A1的电力专用电压传感器。其工作电源AC220V。测量三相三线交流电压，输入信号范围为300V，50Hz的交流电，输出信号为0-5V。隔离耐压为4KVAC，响应时间≤250ms。

8 结束语

基于ZigBee的多参数雨水监测仪利用PH值传感器、流量传感器、液位传感器、电流传感器和电压传感器实时准确地监测雨水的水质和处理设备的运行状况，并远程传输到监控中心，为海绵小区的建设评估、运行管理分析提供数据支撑。

参考文献

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作者简介

王玲（1988-），女，汉族，重庆璧山人，硕士研究生，讲师，研究方向：物联网、计算机控制。