基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统的研究

简讯+陈建云

摘要：自20世纪70年代以来，自动化监控技术在泵站工程中得到应用研究开始，经过近50年科学技术的飞速发展，其设计水平不断提高，应用范围也不断扩大。现今，泵站自动化监控系统已初具规模，并朝着高度智能化、集成化的方向发展。集监测、控制、保护、管理于一体的泵站自动化监控系统的应用。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线传感技术，它适合于数据量比较小、不方便长距离现场的一种布线、不便频繁的更换电池、充电的泵站自动化监控系统中。该文的研究有利于提高信息获取的速度和精度，便于及时准确的预报、决策和优化速度。具体可以提高三个方面：节省了有线敷设的材料和工时；改善工作环境；智能化。

关键词：泵站；自动化监控系统；ZigBee

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0053-03

近些年来，随着国民经济的发展和科学技术水平的进步，我国水利信息化建设正在逐步的进步，泵站信息自动化技术也有了突飞迅猛的进步。ZigBee技术不仅在智能家居上得到了广泛的应用，还在农业监控控制领域得到了应用，例如农业精准、无人值守等方面，但是这些研究或科研大多是在高校或者科研研究所中研究，并没有真正的用在实际中。通过ZigBee技术的方式传递数据是一种比较理想的选择，ZigBee技术是一种无线通信技术，无线与有线相比具有：成本低、通信距离远、不易老化、没有凿墙钻孔布线的烦恼等优点。本文所研究的是基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统，具有价格低廉，操作方便简单，易学易懂，且性能稳定的ZigBee技术的泵站自动化监控系统，有较好的应用前景和实际中的应用。

1系统架构

ZigBee网络拓扑选型：ZigBee网络拓扑结构支持3种功能设备，分别为协调器、路由器、以及终端设备。ZigBee技术有指定一个标准：物理层、MAC层、网络层及应用层（APL）。IEEE802.15.4仅是处理低级的MAC层（控制层）和物理层协议，ZigBee协议不仅能处理1EEE802.15.4，还能处理比较高级的网络层协议和APL层（应用层）协议。ZigBee标准协议框架结构如图1所示。

根据实际的应用需要，ZigBee网络可以构成三种拓扑结构：星型网络拓扑结构、网状网络拓扑结构以及树状网络拓扑结构。本文是采用网状网络拓扑结构构成泵站自动化监控统。如图2所示。

系统分为两个部分：监控中心和控制区域。系统的整体架构如图3所不。

监控中心：上位机和汇聚节点安装在监控中心。汇聚节点和控制区域内的采集控制节点上传的数据转发给上位机；上位机具体显示采集信息，实现触屏控制和屏幕点击控制。把上位机发送的电磁阀控制指令，转发给相应的采集控制节点。汇聚节点和上位机通过RS-232串口进行有线通信。为了保证通信可靠，无线通信技术采用了网状网络拓扑结构进行了组网。

控制区域：控制区域例如实验室根据实际需要，被控制的地方，需要脉冲电磁阀、空气温湿度传感器等各元器件。通过采集节点的数据，然后将数据上传给上位机；上位机接受数据之后，就发送命令给脉冲电磁阀，以此来控制电磁阀的开启和关闭。以达到泵站自动化监控目的。

2系统硬件设计

根据总体的设计要求，采集控制节点的功能是：采集通过模拟信号处理器所处理的传感器的数据。ZigBee模块通过一系列传输和发送，以此控制脉冲电磁阀的开启和关闭，系统ZigBee节点硬件系统框图如图4所示。

以ZigBee模块为中心，ZigBee模块通过模拟信号处理电路，将数据传输给传感器；另一方面，ZigBee模块通过输出控制电路，来控制脉冲电磁阀的开启和关闭。电源通过电源处理电路，把外部电源转换为适合于ZigBee模块各节点上不同元器件所需要的电压。RS232通讯接口电路用于ZigBee模块和PC机，将进行串口通信。

3系统软件设计

3.1 ZigBee无线网络之间通信协议的设计

在本系统的ZigBee无线传感器网络中，汇聚节点和采集控制节点之间采用MSG信息帧进行节点之间的通信。函数申明如此：

3.2通讯协议设计—汇聚节点和上位机

本文考虑到开发产品具有通用性，便于查询，本系统选择公司提供的通信協议。串口通信选择使用Modbus RTU协议。

Modbus通信数据帧：Modbus串行链路协议是一个主从协议。有两种通讯模式可以使用即ASCII和RTU通讯模式，本文选用RTU串行通讯模式，Modbus RTU信息帧结构如表1所示：

地址码：地址码是信息帧的第一字节（8位），数据范围从0到255。

功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。

数据区：由从机采集的返送信息和需要从机执行什么动作。

错误校验码：用校验码接收信息是否出错。

4系统的调试与分析

4.1节点编号设置

硬件、软件设计完成后，对系统的整体功能进行调试，然后再对节点进行程序下载。程序下载之后，要对每个采集控制节点设置编号，方便上位机通过编号来具体显示采集信息，实现触屏控制和屏幕点击控制，进而为了方便上位机通过编号对其进行访问。波特率修改如图5所示。编号设置界面如图6所示。

系统工作时，节点和上位机也是通过RS232串口连接，串口参数配置和图5一样。

4.2系统网络通讯测试

波特率和超级终端匹配好之后，需要进行网络通讯测试。上位机使用Modbus Poll进行测试。Modbus Poll界面如图7所示。

如图8所示，L1显示黄灯，L2显示绿灯，L3显示红灯，则表示系统通讯成功。从而能准确的预报和决策泵站的液位信息的显示。

5总结与展望

本文的研究，不仅有利于提高信息获取的速度和精度，便于及时准确的预报、决策和优化速度。具体可以提高三个方面：节省了有线敷设的材料和工时；改善工作环境；智能化；还能够监测泵站水位、扬程等实验室的工作环境，为精准农业调控提供了科学的依据。本文对无线传感器和网络协议技术分析的基础上，提出了基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统的研究。由于我的知识面的限制和实践经验不足，所研究的这套系统还有一些不足之处，需进一步完善的工作如下：第一，在规模比较大的网络节点同时工作过程中，网络数据传输的时延长，在网络节点多时，这在一定程度上影响了控制命令的立即响应；第二，系统在调试时，有时会有一些信号的干扰，这样就会造成误码，在一定程度上影响了系统的稳定性。