基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统及方法，包括：监控中心站和远程测站；所述远程测站包括远程终端单元RTU、Zigbee终端网络和传感器；远程终端单元RTU通过Zigbee终端网络与传感器无线相连，用于实现数据的采集与显示，采集到的数据以超短波的方式传输到监控中心站的计算机中，并进行分析处理，为防洪，抗旱提供实时数据。本发明的ZigBee为短距离、低速率、无线传输网络技术，具有低成本、低功耗、低速率、低时延、数据安全等特性，实现了各监测传感器节点之间以及各监测传感器节点与远程终端单元RTU之间的电气隔离，具有安全性和可靠性高、施工方便、布线简单、成本低等优点。
【专利说明】
基于Z i gBee无线通信水库安全在线监测系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明属于水库安全监测技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]水库具有防洪、灌溉、供水、发电等作用，水库的安全与人民生命财产安全息息相关，因此对水库的安全在线监测至关重要。水库安全监测信息包括水位、雨量、流速、渗流、水质、风速、湿度、温度、气压、浸润线等多种参数。不同的水坝对监测信息的要求不同，所需测量的信息参数也不同。从解放后至今，国内已建成的八万多座水坝中，土石坝约占90%左右。而对土石坝坝体而言，渗透破坏是其常见病害，设计一套可靠的监测系统是保证水库安全的必备措施。土石坝浸润线位置的高低是影响坝体渗透稳定和抗滑稳定的最重要的因素之一。对于土石坝渗透水溢出点的渗透坡降较陡时，坝坡就会发生流土、管涌，甚至滑坡、垮坝。实时地对土石坝浸润线进行在线监测，为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。为了了解土坝内浸润线的位置变化，掌握坝体在运行期间的渗透情况，必须在坝体内埋设测压管，通过测压管传输出来的数据来确定土坝浸润线。水库大坝分布在野外，春季库区空气湿度比较大，土壤含水率高，电阻率低，是最易受雷击的地方。已有的监测系统采用有线的485连接方式，而位于大坝上的传感器监测节点多，且信号线路很长，这给线路本身和监测系统的防雷带来大的难度，容易被雷击，导致关联设备的损坏。
[0003]水库安全监测在水库运行管理中起重要作用，在已有的系统中，采集数据通常采用基于485串口的有线传输方式，该有线网络存在布线困难、施工周期长、成本高和易受自然雷击放电影响等缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统及方法，旨在解决现有的水库安全监测存在有线网络存在布线困难、施工周期长、成本高和易受自然雷击放电影响的问题。
[0005]本发明是这样实现的，一种基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统，所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统包括:远程测站和监控中心站；
[0006]所述远程测站，用于采集数据；
[0007]所述监控中心站，用于数据的处理；
[0008]所述远程测站包括远程终端单元RTU、Zigbee终端网络和传感器;远程终端单元RTU通过Zigbee终端网络与传感器无线相连，用于实现数据的采集与显示，采集到的数据以超短波的方式传输到监控中心站的计算机中，并进行分析处理，为防洪，抗旱提供实时数据。
[0009]进一步，所述Zigbee终端网络包括终端设备和协调器；
[0010]终端设备，通过终端设备中的485接口与传感器相连，用于组织传输数据；
[0011]协调器，通过协调器中的485接口与远程终端单元RTU相连，用于提供所传输的数据。
[0012]进一步，所述终端设备包括:485模块、辅助电源模块、CPU模块和ZigBee终端；
[0013]485模块，通过收数据、发数据引脚端(MAX3485芯片的1、4引脚，电路图如图2所示)与CPU模块的单片机异步串行模块(单片机PIC18LF23K22的27、28引脚，电路图如图3所示)相连，用于实现数据以485形式接收或发送；
[0014]0?1]模块，通过单片机的两个异步串行通信模块(单片机？1(:181^231(22的17、18引脚和27、28引脚，电路图如图3所示)分别与485模块、Zi gBee终端(XBEE-PR0模块的2、3引脚，电路图如图4所示)相连，用于实现通信，即实现有线传输方式与无线传输方式的转变；
[0015]ZigBee终端，通过异步串行输入输出端与单片机的异步串行通信模块相连，用于实现数据的无线收发；
[0016]辅助电源模块，用于给485模块、CPU模块和ZigBee终端供电，辅助电源模块输出部分(电容C12两端电压3.3V，电路图如图5所示)与485模块(MAX3485芯片的8、5引脚，电路图如图2所示)、CPU模块(单片机PIC18LF23K22的20、19引脚，电路图如图3所示)和ZigBee终端(XBEE-PRO模块的1、1引脚，电路图如图4所示)的输入电源部分连接。
[0017]本发明的另一目的在于提供一种所述的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法，所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法通过ZigBee组网与远程终端单元RTU组成站点采集数据传输网络，如图1所示。其工作流程图如图6所示，RTU在预定时刻通过485形式发送测水位或者测温度命令，协调器部分的485模块接到该命令并把它传送到协调器部分的CPU模块中(本实施例485模块与单片机异步串行端口 2相连)，单片机产生接收中断，进入中断程序，其中断流程图如图7所示，读取该指令并选择另一异步串行通信端口(即串口 I)发送指令到ZigBee协调器(本实施例ZigBee协调器与单片机异步串行端口 I相连)，而后开启定时器(通过定时器是否超时来判断有无数据接收)，其程序流程图如图8所示，ZigBee协调器以无线的形式的将接到的指令发出，ZigBee终端接到该指令并将该指令发送到终端设备的CPU模块中(本实施例ZigBee终端与单片机异步串行端口 I相连)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的指令并选择另一异步串行通信端口(即串口2)，经校验无误后，将终端设备的485模块置为发送状态，而后发送该指令到终端设备的485模块再到大坝内的压力传感器，此后程序将终端设备的485模块置为接收状态，等待接收数据，其程序流程图如图9所示。压力传感器接到命令后，响应测量并将测得的数据以485的形式发送出去，终端设备的485模块接到数据并把它传送到终端设备的CPU模块中(即终端设备的单片机串口 2接收)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口(即串口 I)发送数据到ZigBee终端(参照图9) ,ZigBee终端以无线的形式的将接到的数据发出，ZigBee协调器接到该数据并将该数据发送到协调器的CHJ模块中(即协调器的单片机串口 I接收)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口(即串口2)，而后清零定时器并校验，若校验后无误，置485模块为发送状态并将该数据通过485模块发送到RTU，而后置485模块为接收状态，等待下一命令送达;若校验后有误，单片机重新发送上次接到的命令到终端设备，重新测量。若协调器并无数据接收，则定时器超时，单片机清零关闭定时器并重新发送命令到终端设备，重新测量(参照图8)。
[0018]本发明提供的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统及方法，ZigBee技术是一种面向短距离、架构简单、具备延长电池寿命、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术。ZigBee具有低成本(通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费)、低功耗(由于ZigBee的传输最大数据数率是250kpbs，发射功率极低仅为ImW，增加发射功率后也仅为50mW，再加上可以让终端进入休眠模式)、低速率(最大数据数率是250kpbs)、传输距离短(传输范围一般介于10?10m之间，在增加RF发射功率后，也可以增加到I?3km)、低时延(ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需I 5ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3?10s、WiFi需要3s)、数据安全(ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES1 28)的对称密码，各个应用可以灵活确定其安全属性)等特性，具有强大的组网能力与较大的网络容量(ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。相比较，蓝牙最多只能组成10个节点，WiFi最多只能组成100个节点)，克服了有线连接的缺陷，且能达到系统信息实时传输的目的。本发明实现了各传感器监测节点之间以及各传感器监测节点与远程终端单元RTU之间的电气隔离，具有安全性和可靠性高、施工方便、布线简单、成本低等优点；经过福州领里中型水库现场调试及运行后，运行稳定、可靠，达到了预期的设计目的和要求。本发明通过ZigBee无线通信技术构建一个网络，采用星形网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行土石坝水库安全信息采集和分析，避免了有线网络的布线和成本问题，同时通过无线通讯技术突出地解决了实际中系统易受雷击等自然放电现象带来的系统损坏问题，解决了基于485总线的监控系统在雷电瞬变引起的多个485收发器损坏问题，提高了系统构成的可靠性，同时为分散点和移动点的测控系统布线的困难提供了解决的途径;完成的无线传输系统已应用于福州领里大型水库安全在线监测系统，通过对系统的测试与分析，很好的完成了预计的要求，并能够准确稳定的实现数据的传输。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例提供的基于ZigBee无线通信远程测站结构框图。
[0020]图2是本发明实施例提供的485模块电路图。
[0021 ]图3是本发明实施例提供的CPU模块电路图。
[0022]图4是本发明实施例提供的ZigBee模块电路图。
[0023]图5是本发明实施例提供的辅助电源模块电路图。
[0024]图6是本发明实施例提供的工作流程图。
[0025]图7是本发明实施例提供的中断程序流程图。
[0026]图8是本发明实施例提供的协调器主程序流程图。
[0027]图9是本发明实施例提供的终端设备主程序流程图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029]下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0030]本发明实施例的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统包括:远程测站和监控中心站两部分。
[0031]远程测站主要负责采集数据，监控中心站主要负责数据的处理;远程测站主要由RTU、电源、通信设备、避雷器和传感器组成;RTU通过Zigbee终端网络与传感器无线相连，实现数据的采集与显示;RTU将采集到的数据以超短波的方式传输到监控中心站的计算机中，并进行分析处理，为防洪，抗旱提供实时数据。
[0032]RTU是远程测站的核心，主要实现:1、土石坝水库安全信息实时自动采集与显示；
2、根据设定好的时间，定时采集实时土石坝水库安全信息;3、响应监控中心站的指令，及时发送实时土石坝水库安全信息。
[0033]如图1所示，深埋于土石坝体内的压力传感器通过有线485形式把大坝内的渗透压以及温度数据传送到地面，然后经终端设备处理，通过Zigbee终端无线发射数据，由位于机房内的Zigbee协调器接收，经协调器处理，而后再有线很短距离送给同位于机房内的RTU。可见，分布于大坝上的各压力传感器(Zigbee终端设备)之间没有有线连接，为独立的，与机房内的RTU等没有有线连接。不仅不需要在大坝面上复杂的布线，也避免因有线连接造成容易被雷击。
[0034]下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
[0035]如图1所示，在远程测站部分引入ZigBee终端网络，它包括终端设备和协调器，终端设备通过终端设备中的485接口与传感器相连，组织传输数据；协调器通过协调器中的485接口与RTU相连，提供所传输的数据;其硬件原理框图如图1所示。其中CPU模块主要实现有线与无线之间的转换。
[0036]终端设备进一步包括:485模块、辅助电源模块、CPU模块和ZigBee终端。
[0037]485模块通过收数据、发数据引脚端与CPU模块的单片机异步串行模块相连，而控制引脚DE和RE连在一起由单片机的RB5控制，主要实现数据以485形式接收或发送;模块采用MAX3485芯片，其工作电压为3.3V，低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。为了抑制瞬态干扰，如雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，电路采用旁路保护法，即在电路的A、B端，连接瞬态抑制二极管。电路如图2所示。其中电阻120欧是作为阻抗匹配使用的，如果传输线距离短可以不接。
[0038]CPU模块设计，通过单片机的两个异步串行通信模块分别与485模块、ZigBee终端相连，实现通信，即通过该模块实现有线传输方式与无线传输方式的转变。该模块采用PIC18LF23K22，它是采用XLP的超低功耗管理单片机，适合于水库安全监测长期运行。它的外设特点主要有:两个增强型通用同步/异步收发器模块:支持485、232和LIN、使用内部振荡器的232工作、接收到间隔字符时自动唤醒、自动波特率检测。电路图如图3所示。
[0039]ZigBee终端采用ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块通过异步串行输入输出端与单片机的异步串行通信模块相连，主要实现数据的无线收发。该模块采用XBEE-PROOEM RF无线射频模块，以ZigBee协议运作，支持低成本的独特需求，低功耗无线传感器网络工程。其在室外传输距离达到1500米，发射功率50mW，接收器灵敏度为-1OOdBm，RF数据传输率达到250Kb/s，工作电压为2.8-3.4V。其电路图如图4所示。
[0040]辅助电源模块，主要是给各个模块供电，由于系统工作于野外，同时也避免各终端之间的有线连接，因此各终端的电源采用3W/15V小功率太阳能电池板和小容量12V/4Ah蓄电池为各模块供电。工作电路中的各个芯片的工作电压都为3.3V，而外接电源是采用12V的蓄电池，因此需要把12V电压变换为3.3V电压。系统中的辅助电源模块采用LM2597-3.3降压BUCK变换芯片，该芯片把12V电压变换为3.3V输出，外部元件数量少，使用简单。其电路图如图5所示。续流二极管D5，承受最大电压为输入电压12V，而且给各个芯片供电，其功率都比较小，也就意味着流经二极管的电流较小，本次设计采用1N5817(正向平均电流为1A，反向电压20V)。由电路可知，当BUCK电路失效时，此时Dl二极管因承受正向电压而导通，代替BUCK电路给各个芯片的供电，实现UPS，提高电路工作的可靠性。D2二极管的作用主要是为了防止电池接通时电流反灌到LM2597芯片中，ZD3、ZD4的作用是防雷。
[0041 ]本发明实施例的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统通过无线(ZigBee组网)与RTU组成站点采集数据传输网络，传感器数据通过ZigBee无线传输，在协调器部分转换为485形式与RTU通讯，RTU在预订时刻通过ZigBee无线传输发送命令给传感器，启动采集并返回数据，协调器与终端设备主要实现数据的传输、有线与无线的转换和数据的校验，系统软件部分包括CHJ程序设计和XBEE-PRO无线模块配置。
[0042]1、CPU程序设计
[0043]CPU模块主要是与485模块和ZigBee通信。485通信属于半双工通信，需要设置发送接收使能位。在初始状态下设置为接收状态，只有当无线模块接收到数据时才设置为发送状态。单片机通过两个异步串行端口与485模块和ZigBee通信，在程序中，通过异步串行中断，读出数据，并将数据发送到对应的模块。其中断程序的流程图如图7所示。而主程序需要往复判断是选择串口 I通信还是选择串口 2通信，并校验数据。在终端设备上，校验来自RTU的命令，若命令有误，不发送数据。在协调器，先判断有无收到来自传感器响应的数据，若没收到数据，则重新发送命令。若有接收到数据则对其进行校验，校验有误，重新发送命令，校验无误发送数据到RTU。其主程序流程图分别如图8和图9所示。
[0044]RTU在预定时刻通过485形式发送测水位或者测温度命令，协调器部分的485模块接到该命令并把它传送到协调器部分的CPU模块中(本实施例485模块与单片机异步串行端口 2相连)，单片机产生接收中断，进入中断程序，其中断流程图如图7所示，读取该指令并选择另一异步串行通信端口(即串口 I)发送指令到ZigBee协调器(本实施例ZigBee协调器与单片机异步串行端口 I相连)，而后开启定时器(通过定时器是否超时来判断有无数据接收)，其程序流程图如图8所示，ZigBee协调器以无线的形式的将接到的指令发出，ZigBee终端接到该指令并将该指令发送到终端设备的CPU模块中(本实施例ZigBee终端与单片机异步串行端口 I相连)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的指令并选择另一异步串行通信端口(即串口 2)，经校验无误后，将终端设备的485模块置为发送状态，而后发送该指令到终端设备的485模块再到大坝内的压力传感器，此后程序将终端设备的485模块置为接收状态，等待接收数据，其程序流程图如图9所示。压力传感器接到命令后，响应测量并将测得的数据以485的形式发送出去，终端设备的485模块接到数据并把它传送到终端设备的CHJ模块中(即终端设备的单片机串口 2接收)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口(即串口 I)发送数据到ZigBee终端(参照图9)，ZigBee终端以无线的形式的将接到的数据发出，ZigBee协调器接到该数据并将该数据发送到协调器的CPU模块中(即协调器的单片机串口 I接收)，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口(即串口2)，而后清零定时器并校验，若校验后无误，置485模块为发送状态并将该数据通过485模块发送到RTU，而后置485模块为接收状态，等待下一命令送达;若校验后有误，单片机重新发送上次接到的命令到终端设备，重新测量。若协调器并无数据接收，则定时器超时，单片机清零关闭定时器并重新发送命令到终端设备，重新测量(参照图8)。
[0045]2、XBEE_PR0无线模块配置主要是利用X-CTU软件来进行参数设置。参数设置包括端口参数设置和节点设置，端口设置包括波特率、端口号、校验位等设定。节点设置是对节点名称、位置信息的初始设定，便于实现节点搜索，节点相关信息通过配置文件进行保存和读写。ZigBee协调器首先对由SC(扫描信道)参数规定的所有信道进行能量扫描，每个信道扫描时间由SD(扫描持续时间)参数确定，扫描的信息用于选择未使用的信道，协调器将使用其ID参数设定的PAN ID，同一个PAN ID的编号之间的XBEE-PRO才能相互看到，也就是达到分群的功能。
[0046]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法，其特征在于，所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法通过ZigBee组网与远程终端单元RTU组成站点采集数据传输网络，传感器数据通过ZigBee无线传输，在协调器转换为485形式与远程终端单元RTU通讯，远程终端单元RTU在预订时刻通过ZigBee无线传输发送命令给传感器，启动采集并返回数据，协调器与终端设备实现数据的传输、有线与无线的转换和数据的校验。2.如权利要求1所述的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法，其特征在于，所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法具体包括: RTU在预定时刻通过485形式发送测水位或者测温度命令，协调器部分的485模块接到该命令并把它传送到协调器部分的CPU模块中，单片机产生接收中断，进入中断程序； 读取该指令并选择另一异步串行通信端口发送指令到ZigBee协调器，而后开启定时器； ZigBee协调器以无线的形式的将接到的指令发出，ZigBee终端接到该指令并将该指令发送到终端设备的CPU模块中，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的指令并选择另一异步串行通信端口，经校验无误后，将终端设备的485模块置为发送状态，而后发送该指令到终端设备的485模块再到大坝内的压力传感器，将终端设备的485模块置为接收状态，等待接收数据； 压力传感器接到命令后，响应测量并将测得的数据以485的形式发送出去，终端设备的485模块接到数据并把它传送到终端设备的CPU模块中，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口发送数据到ZigBee终端； ZigBee终端以无线的形式的将接到的数据发出，ZigBee协调器接到该数据并将该数据发送到协调器的CPU模块中，单片机产生接收中断，进入中断程序，读取接收到的数据并选择另一异步串行通信端口，而后清零定时器并校验，若校验后无误，置485模块为发送状态并将该数据通过485模块发送到RTU，而后置485模块为接收状态，等待下一命令送达;若校验后有误，单片机重新发送上次接到的命令到终端设备，重新测量;若协调器并无数据接收，则定时器超时，单片机清零关闭定时器并重新发送命令到终端设备，重新测量。3.—种如权利要求1所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测方法的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统，其特征在于，所述基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统包括:远程测站和监控中心站； 所述远程测站，用于采集数据； 所述监控中心站，用于数据的处理； 所述远程测站包括远程终端单元RTU、Zigbee终端网络和传感器;远程终端单元RTU通过Zigbee终端网络与传感器无线相连，用于实现数据的采集与显示，采集到的数据以超短波的方式传输到监控中心站的计算机中，并进行分析处理，为防洪，抗旱提供实时数据。4.如权利要求3所述的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统，其特征在于，所述Zigbee终端网络包括终端设备和协调器； 终端设备，通过终端设备中的485接口与传感器相连，用于组织传输数据； 协调器，通过协调器中的485接口与远程终端单元RTU相连，用于提供所传输的数据。5.如权利要求3所述的基于ZigBee无线通信水库安全在线监测系统，其特征在于，所述终端设备包括:485模块、辅助电源模块、CPU模块和ZigBee终端； 485模块，通过收数据、发数据引脚端与单片机异步串行模块相连，用于实现数据以485形式接收或发送； CPU模块，通过单片机的两个异步串行通信模块分别与485模块、ZigBee终端相连，用于实现通信，即实现有线传输方式与无线传输方式的转变； ZigBee终端，通过异步串行输入输出端与单片机的异步串行通信模块相连，用于实现数据的无线收发； 辅助电源模块，用于给485模块、CRJ模块和ZigBee终端模块供电。
【文档编号】G08C17/02GK106054846SQ201610578583
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610578583.5, CN 106054846 A, CN 106054846A, CN 201610578583, CN-A-106054846, CN106054846 A, CN106054846A, CN201610578583, CN201610578583.5
【发明人】林红, 毛行奎, 林宇航, 黄 隆, 陈香湍, 黄起升
【申请人】福建省水利管理中心