杜 岗，吴 峰，于 红

（1. 连云港职业技术学院，江苏 连云港 222000；2. 徐州理工计算机工程技术研究，江苏 徐州 221000）

基于无线传感技术的水位数据采集系统设计

杜 岗1，吴 峰1，于 红2

（1. 连云港职业技术学院，江苏 连云港 222000；
2. 徐州理工计算机工程技术研究，江苏 徐州 221000）

根据康扬水电站计算机监控系统中水情测报分系统的需要，提出一种基于 ZigBee 无线传感技术的水位数据测量采集系统方案。给出测量系统的系统构架和功能分析，并针对传感器和协调器节点进行硬件方案设计；介绍网络节点中 LPC2210 与 MC13192 模块之间 SPI 通讯实现过程；借助 MCGS 的驱动开发接口函数，设计串口设备驱动程序。系统投入实际运行后，成功地实现对现地水位数据的采集与无线传输，运行稳定可靠，证明了这一方案设计的合理性。

无线传感技术；水位测量；数据采集；ZigBee

0 引言

遵循 IEEE 802.15.4 标准，具有组网灵活、低成本、低功耗等特点的 ZigBee 技术是近年来才兴起的无线网络通信技术。这一技术在分散区域及边远山区的数据采集应用中优势明显。一些中小型水电站大多位于边远山区，环境恶劣，库区水位监测点信号及电源线敷设路径大多暴露在野外，施工、维护相对复杂，且很容易破损或被老鼠等动物破坏。但库区水位、栅压差、毛水头等水文数据又是水电站机组正常运行，大坝安全监测所需要重点监控的对象，因此，保证水位测量系统可靠运行十分重要。

康扬水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡—刘家峡河段梯级开发规划中几个大型电站之间的川地河段上拟建的7 个中型电站的第 4 个电站。水库正常蓄水位为高程2 033.0 m，总库容 2 880 万m3，电站设计水头 18.7 m，电站安装 8 台 3.55 万kW 贯流式发电机组，总装机容量为 28.4 万kW，多年平均发电量 9.92 亿kW•h。水位测量盘作为电站计算机监控系统的 1 个子系统设置在副厂房二次盘室内，主要功能是对上下游水位、毛水头、拦污栅前后水位、水库水温等关键水文数据进行测量采集[1]。在进行水位测量盘系统设计时，基于对现场环境、数据传输路径和测量采集点位置的研究，提出基于 ZigBee 无线传感技术的水位数据测量采集系统解决方案。

1 水位测量采集系统结构及功能分析

各水位测量点按照距离远近和功能分类不同，将传感器信号引至 3 个不同的现地测量箱中。ZigBee无线传感网络中的传感器节点放置在 3 个测量箱中，箱体上端安装有射频天线；协调器节点设置在副厂房二次盘室（弱电室）内的水位测量盘中，射频天线安装在盘柜上。3 个分散布置的传感器与协调器的节点以星型网络拓扑结构组成无线传感网络[2]。水位传感器节点通过无线传感网络将现地水位数据传输至水位测量盘中的 ZigBee 协调器节点，协调器节点通过 RS-232 串口通讯将数据传输至测量盘工控机。最后，由工控机将水位数据及报警信息通过 RS-485 总线上传至电站计算机监控系统。各个测量点分布情况如下：上游水位传感器 2 处，分布在机组进水口闸门平台；下游水位传感器 2 处，分布在调压井廊道内；拦污栅栅前栅后水位传感器分别布置在机组拦污栅前后；尾水处设置尾水水位传感器。水位测量采集系统的组成结构如图 1 所示 。

图1 系统组成结构图

2 水位测量采集系统硬件设计

2.1 传感器节点设计

传感器节点组成结构如图 2 所示。

图2 传感器节点结构图

各组成模块具体设计如下：

1）数据采集模块。主要由测量参数的各种传感器组成，测量的数据经 A/D 转换后通过串口发送到数据处理模块。

2）数据处理模块。数据处理模块采用 32 位ARM7 微处理器 LPC2210 作为 ZigBee 无线传感网络节点管理的处理器，是节点数据处理模块的重要组成部分。LPC2210 带有 16 kB RAM，76 个通用 I/O口，12 个独立外部中断引脚，集成有 8 通道的 10 位A/D 转换器，能够基于芯片设计复杂的系统[3]。借助LPC2210 强大的数据处理和丰富的引脚功能，数据采集模块的数据进行处理、协议封装后，经 SPI 口将数据传输至射频模块[4]，进行无线发送。

3）ZigBee 通信模块。ZigBee 通信模块主要部件是符合 IEEE802.15.4 标准的无线收发芯片MC13192，芯片的工作频带为 2.4 GHz，采用 16 通道和 250 kbit/s 的有效数据传输速率[5]。水位数据最终通过 MC13192 模块被无线发送至协调器节点。

2.2 协调器节点设计

协调器节点是 ZigBee 网络的核心，硬件结构如图 3 所示。

图3 协调器节点硬件结构图

主控处理器采用 LPC2210，ZigBee 通信模块采用 MC13192，工作过程与传感器节点正好相反。MC13192 模块接收来自传感器节点发送来的数据，并将数据通过 SPI 接口发送至主控处理器 LPC2210模块[2]，数据经过处理和协议打包后，经过串口发送至水位测量屏工控机。

3 水位测量采集系统网络节点软件设计

水位测量采集系统软件包括 MC13192 模块与 LPC2210 模块之间的 SPI 通信；LPC2210 与传感器（工控机）之间，以及工控机与 485 总线之间的 UART（通用异步收发传输器）异步串口通信。UART 异步串口通信过程已经非常成熟，在此只介绍LPC2210 与 MC13192 之间的 SPI 通信过程。

SPI 允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯，从而完成数据的交换，也就是 SPI 是一种规定好的通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般需要 4 个引脚就可以了。4 个引脚功能如表1 所示。

数据通信时，由 SCK（时钟控制线）提供时钟脉冲，数据收发信号线基于此脉冲完成数据读写传输。SPI 读写过程如图 4 所示。

表1 SPI 各引脚功能

图4 SPI 数据读写流程

LPC2210 与 MC13192 两者进行 SPI 通信操作的基本思路如下：首先对 SPI 和 MC13192 及 LPC2210控制的 3 个端口进行初始化，然后对 SPI 端口进行使能操作；完成操作后，运行数据收、发的任务程序[6]。程序发送流程如图 5 所示。

程序接收流程与发送流程的基本步骤是一样的，只是在进行 MC13192 收发模式设置时，需要将模式设置为 RX 模式。

4 串口设备驱动程序编写

现地水位数据经传感器节点传输至协调器节点后，测量盘工控机 MCGS 组态软件由 RS-232 口从协调器节点读取数据，经处理后，一方面进行报警显示，另一方面经 RS-485 总线上传至集控中心端。MCGS 软件所完成的数据采集与上传的串口数据通讯过程必须要依靠串口设备驱动程序实现。借助于 MCGS 软件提供的一套驱动程序开发接口，使用 VB 高级语言 OLE 接口功能，可以方便地进行驱动程序的个人开发，开发完成后，驱动程序以 DLL（动态链接库）格式挂载于 MCGS 软件环境中，并与 MCGS 运行在一个进程内，运行速度快，可靠性高，可以满足现场水位数据传输的要求[6]。驱动开发流程如图 6 所示。

图5 程序发送流程图

5 结语

基于 ZigBee 无线传感技术设计的无线数据采集系统，具有测点布置灵活、数据传输不依靠物理线路、功耗低的特点，对于一定范围内分散区域内的数据采集，采用无线传感技术不仅降低了设备安装维护的成本，也避免了因为线路损坏造成系统瘫痪，提高了系统运行的稳定性与可靠性。在水位数据采集过程应用无线传感技术是近年来的研究方向，康扬水电站水位数据测量系统的设计，是首次尝试将 ZigBee 无线传感技术应用在水电站的水文数据测量环节中。康扬水电站的地址位置、电站规模及数据采集点的布置情况非常适合采用无线传输技术，本设计中，使用 ARM7 微处理器 LPC2210和具有 ZigBee 射频收发功能的芯片 MC13192 设计传感器和协调器节点，并构建星型网络拓扑结构的ZigBee 无线传感网络，实际运行效果良好。

由于 ZigBee 无线传感技术数据传输过程是依靠无线射频信号传输的，因此抗强电磁波干扰能力较差，这也是目前对 Zigbee 技术的研究与应用基本仅限于非工业领域的一个主要原因；另外由于工作频率和功耗的限制，不适宜进行远距离的无线传输。为此在设计过程中尽量采取抗电磁干扰的措施，同时在进行节点位置设置时，应尽量避免接近强电磁干扰源；也可结合 GPRS 和 Wi-Fi 等其它能支持远程接入的网络进行技术改进，如设计 ZigBee-GPRS或 ZigBee-Wi-Fi 网关，既充分利用 ZigBee 的无线数据采集的优点，又解决数据远程传输的问题。

图6 串口驱动开发流程图

[1] 李守军，徐立中，于红. 拉西瓦水电站水位测量综合监控系统信息集成设计[J]. 水电自动化与大坝监测，2010，34 (1):72-74.

[2] 薄英强，欧阳名三，李业亮，等. 基于 ZigBee 的矿井水文信息监测系统[J]. 工矿自动化，2014，40 (10): 57-60.

[3] 肖军，邵景峰，马辉，等. 嵌入式实时操作系统与网络构件的设计 [J]. 可编程控制器与工厂自动化，2006 (10): 70-72.

[4] 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): 1-4.

[5] 吴晓然. 基于 MC13192 的 ZigBee 系统设计[J]. 工业控制计算机，2007，20 (4): 19-20.

[6] 杜岗，丁磊，于红，等. 基于 ZigBee 技术的水位监测系统设计[J]. 水科学与工程技术，2014 (6): 15-18.

(1. Lianyungang Vocational and Technical College, Lianyungang 222000, China;

2. School of Information and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou 221008, China)

Application of WSN Technology in Water Level Acquisition System

DU Gang1, WU Feng1, YU Hong2

Aimed at the need of the water regime forecasting system of kangyang hydropower station, the water level acquisition system is proposed based on ZigBee WSN technology. The integral framework and functional analysis for the measuring system are put forward. And the hardware scheme of the sensor and coordinator node is designed. Then, the SPI communication process between the LPC2210 and the MC13192 module are introduced. Utilizing the MCGS interface function, the serial device driver is designed. After putting into practical operation, the system successfully realizes the local water level data acquisition and wireless transmission. It proves the rationality of the scheme design by stable and reliable running.

WSN; water level measuring; data acquisition; ZigBee

TP212；P335

A

1674-9405(2015)04-0035-04

2014 -09-09

杜 岗（1981－），男，山东日照人，硕士，主要研究方向：水电自动化与计算机控制。