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太原理工大学硕士研究生学位论文 低功耗无线数字水位采集系统的研究 摘要 水位测量数据是重要的水文检测参数，水位测量的精度及实时性，直 接影响到水库防洪安全和发电灌溉等。太原理工大学测控技术研究所研制 的感应式数字水位传感器，近年来在水位测量领域得到了广泛的应用，特 别是在“引黄入晋 大型水利工程中大量使用，发挥了重要的作用。 感应式数字水位传感器的传统应用需要从监测中心引出电源和信号电 缆，由于很多水文监测点处于地广人稀、远离村庄的深山峡谷，自然环境 恶劣，布线的成本非常高，而且不便于调试和组网，所以限制了感应式数 字水位传感器的应用。本文充分考虑系统低功耗问题，水位检测点用太阳 能电池板和蓄电池供电，应用射频无线技术，以感应式数字水位传感器为 核心构建了低功耗无线数字水位采集系统，无需布线，扩大了感应式水位 传感器的应用范围。 低功耗无线数字水位采集系统应用嵌入式处理技术、射频无线通信技 术和计算机技术实现水位数据的远程采集和传输。在本系统中，无线变送 器将水位数据以无线通信的方式传送给中央控制电脑，电脑收到水位数据 后发送确认信号，并将数据呈现给相关人员。 本文首先提出了系统的总体设计方案。给出了系统的总体结构，介绍 了系统的工作原理，选择无线射频通信作为系统的通信方式，阐述了在硬 件设计过程中所遵循的原则。 其次，详述了下位机的软硬件实现过程。硬件方面分析了感应式数字 水位传感器的技术原理；设计了无线变送器，包括传感器信号调理电路、 射频模块电路和微控制器外围电路；简单介绍了无线变送器的抗干扰措施 和下位机电源的设计。其中无线变送器的设计是系统硬件设计的重点。在 软件设计方面围绕射频通信的模式设置和通信协议作了详细说明。 太原理工大学硕士研究生学位论文 然后，论文具体介绍了上位机的软硬件设计。硬件部分主要设计了上 位机前端设备与中央控制电脑的串行通信接口电路。软件部分简要设计了 前端设备的串行通信软件，着重叙述了中央控制电脑管理软件的设计和功 能，其中涉及管理软件的实现方法及数据库的开发，展示了管理软件的运 行界面。 最后，本文通过实验，测量下位机各个部分的工作电压和电流，计算 下位机的功耗，以太原地区为例，分析满足下位机长期可靠工作要求时， 蓄电池和太阳能电池板应该具备的条件，在留有充分裕量的基础上，为下 位机选择最为经济适用的太阳能电池板和蓄电池。 关键词：感应式水位传感器，低功耗，射频，数据库，太阳能，蓄电池 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h es y s t e mo fl o w p o w e r c o n s u m p t i o nw i r e l e s sd i g i t a l 後t e r l e v e ld a t a a c q u i s i t i o n a b s t r a c t t h ed a t a o fw a t e rl e v e li sa ni m p o r t a n tp a r to fh y d r o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h e a c c u r a c ya n d r e a l t i m eo ft h ew a t e rl e v e lm e a s u r e m e n t d i r e c t l yi n f l u e n c e so n t h e r e s e r v o i r sf l o o dp r e v e n t i o ns e c u r i t y , i r r i g a t i o n ，p o w e rg e n e r a t i o n ，a n ds oo n t h ei n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o r w h i c hi sd e v e l o p e db yt h ei n s t i t u t eo f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t a i y u a nu n i v e r s i t yo ft e c h o n o l o g y , h a s b e e nw i d e l yu s e dt h e s ey e a r si nw a t e rl e v e lm e a s u r i n gf i e l d e s p e c i a l l yi nt h e y e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t ”，i th a sb e e nl a r g e s c a l eu s e d ，a n dp l a y e da n i m p o r t a n t r o l e t h ea p p l i c a t i o no ft h ei n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o rn e e d st od r a w o u tt h es i g n a la n dp o w e rs u p p l yc a b l ef r o mt h em o n i t o rc e n t e r m a n yh y d r o l o g y m o n i t o r i n gs p o t sa r el o c a t e di nt h er e m o t ev a l l e yw h e r ei sf a rf r o mt h ev i l l a g e t h en a t u r a le n v i r o n m e n ti sa w f u l t h ec a b l i n gc o s ti s e x p e n s i v e i ti sa l s o d i f f i c u l tt od e b u ga n dm a k en e t w o r k t h e s ef a c t o r sl i m i tt h ea p p l i c a t i o no ft h e i n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o r g i v i n gf u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h es y s t e m s l o w p o w e rp r o b l e m , t h ed e s i g nu s e st h ei n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o rt o b u i l dal o w - p o w e rc o n s u m p t i o nw i r e l e s sd i g i t a lw a t e rl e v e ld a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mw i t ht h eh e l po ft h er fw i r e l e s st e c h n o l o g y p o w e r e db ys o l a rb a t t e r ya t e a c hm e a s u r e m e n ts p o t ，t h es y s t e mn e e d sn ow i r i n g ，s ot h ea p p l i c a t i o ns c o p eo f t h es e n s o ri se x p a n d e d t h ed e s i g no fl o w - p o w e rc o n s u m p t i o nw i r e l e s sd i g i t a lw a t e r - l e v e ld a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sc o m b i n e dw i mt h ee m b e d d e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , r f w i r e l e s st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i tr e a l i z e st h er e m o t ed a t a a c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i t i o nf o r t h ew a t e rl e v e l i nt h i s s y s t e m , w i r e l e s s t r a n s m i t t e rs e n d sw a t e rl e v e ld a t at ot h ec e n t r a lc o n t r o lc o m p u t e rb yt h ew a yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a f t e rd a t a b e i n gr e c e i v e d ，t h ec o m p u t e r s e n d s a c k n o w l e d g e m e n ts i g n a la n dd i s p l a y st h ed a t at ot h eo p e r a t o r s t h ep a p e rf i r s t l yg i v e st h eo v e r a l ld e s i g n i n gp r o g r a m m ea n dm a i ns t r u c t u r e 太原理工大学硕士研究生学位论文 o f t h e s y s t e m ，i n t r o d u c e s i t s w o r k i n gp r i n c i p l e ，t e l l s t h er fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，e l a b o r a t e st h ep r i n c i p l e st of o l l o wi nh a r d w a r ed e s i g n a sw e l l s e c o n d l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h es u b d e v i c e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e r e a l i z i n gp r o c e s si n d e t a i l i nt h eh a r d w a r es e c t i o n ，i ta n a l y z e st h ew o r k i n g t h e o r yo ft h ei n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o r ；i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h e w i r e l e s st r a n s m i t t e r , i n c l u d i n gt h es e n s o r sa d j u s t i n gc i r c u i t ，r fc i r c u i tm o d u l e a n dt h ec o n t r o l l e r sp e r i p h e r a lc i r c u i t ；s i m p l yi n t r o d u c e st h er ft r a n s m i t t e r s a n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa n dl o w e r - d e v i c ep o w e rs u p p l y t h ed e s i g no ft h er f w i r l e s st r a n s m i t t e ri st h ek e y i nt h es o f t w a r es e c t i o n ，i te l a b o r a t e st h em o d e s e t t i n ga n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rt h er fc o m m u n i c a t i o n t h i r d l y , t h ep a p e rg i v e s a s p e c i f i cd e s c r i p t i o n o nt h e u p p e r - d e v i c e s s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r es e c t i o nm a i n l yr e f e r st ot h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h eu p p e r - d e v i c e sf r o n t e n de q u i p m e n t a n dt h ec e n t r a lc o n t r o lc o m p u t e r t h es o f t w a r es e c t i o nb r i e f l ys t a t e st h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eo ft h ef r o n t e n de q u i p m e n t ，a n de m p h a s i z e st h ed e s i g n a n df u n c t i o no ft h ec e n t r a lc o n t r o lc o m p u t e r sm a n a g e m e n ts o f t w a r e i tr e l a t e s t ot h em a n a g e m e n ts o f t w a r e sr e a l i z i n gm e t h o da n dd a t a b a s ed e v e l o p m e n t ，a n d d i s p l a y st h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e a tl a s t ，t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h ew o r k i n gv o l t a g ea n dw o r k i n gc u r r e n ta r e m e a s u r e d ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h el o w e r - d e v i c ei sc a l c u l a t e d t a k i n gt h e t a i y u a na r e aa st h ee x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es t o r a g eb a t t e r ya n ds o l a r p a n e l sw o r k i n gc o n d i t i o n t a k i n gf u l lr e d u n d a n c yi n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h ed e s i g n c h o o s e st h em o s te c o n o m i c a la n ds u i t a b l es o l a rp a n e la n ds t o r a g eb a t t e r y k e yw or d s ：i n d u c t i v ed i g i t a lw a t e r - l e v e ls e n s o r , l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ， r f , d a t a b a s e ，s o l a r , s t o r a g eb a t t e r y l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 图2 1 系统总体结构框图7 图2 2 系统通讯模式框图8 图3 1 系统硬件结构框图1 3 图3 2 感应式数字水位传感器原理图1 4 图3 3 信号调理电路原理图1 6 图3 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 结构框图2 2 图3 5 射频模块硬件接口2 5 图3 6 射频芯片外围器件原理图2 5 图3 7 天线示意图2 6 图3 8 微控制器外围电路图一2 7 图3 9 复位电路2 9 图3 一1 0 稳压电路2 9 图3 一1 1 信号防雷3 0 图4 1 主程序流程图3 7 图4 2 发送模式流程图3 9 图4 3 接收模式流程图4 1 图4 3s p i 接口以及内部寄存器一4 2 图4 4s p i 读操作4 4 图4 5s p i 读操作4 4 图5 1 上位机硬件结构框图4 7 图5 2u a r t 数据帧格式4 8 图5 3u a r t 传送波形图4 8 图5 4 串口通信接口电路4 9 图5 5 管理软件总体结构图5 3 图5 6 通讯程序流程图5 4 图5 7 管理系统启动界面6 0 图5 8 定时采集管理系统界面6 1 图5 9 手动采集管理系统界面6 2 图5 1 0 数据查询功能6 3 图6 一l 各部分功耗分布示意图6 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 表3 一l 几种射频芯片的比较一2 3 表3 2 射频模块模式控制表2 4 表3 3 太阳能控制器工作状态3 4 表4 一ls p i 串行接口指令4 3 表5 1m s c o m m 控件属性5 4 表5 2 通信设置5 5 i x 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：生笪 日期：星竺墨筮丛翌窒 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 叠鱼垄：日期：墨竺墨至兰生兰型 导师签名：鏖鎏麓 日期：圭竺墨至塑三z 皇 眨蓉 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 我国洪水灾害频繁，给国家和人民生命财产造成了重大损失。为增加洪水有效预见 期，提高水文预报的精度，及时准确地为防汛和水利水电调度提供科学的依据，2 0 世纪 7 0 年代我国开始建设水情自动测报系统。水位测报系统对充分发挥防汛减灾，合理利用 水资源具有十分重要的意义。水情测量数据是重要的水文参数，水位测量的精度和实时 性，直接影响到水库防洪安全、发电灌溉等。我国水资源不平衡，幅员辽阔，地理环境 复杂，地区经济发展不平衡，水位测量工作仍存在些困难。在大型发电站、重要水文 站水位测量技术相对先进一些，而普通的报汛站和水文监测站的测量技术仍处于比较落 后的状态，水文站测洪能力不适应监测大规模洪水的要求。至9 0 年代初，我国很多地 方水文测报设施经过几十年的运行，大多处于陈旧老化的报废状态，出现了设施破烂不 堪、难以承担日常水文测报工作的局面。近年来，在国家计委和水利部的关心下，我国 水文建设项目增多，建设步伐加快，使得水文测报设旋破旧落后的状况得以改善。但距 离水文工作现代化还有很大的距离。 在新形势下，水位检测要求稳定和准确，传感器必须准确的检测到水位信息，并通 过变送器把水位数据准确无误的呈现给观测人员。因此传感器能否准确地检测水位、稳 定运行就成为了关键。目前应用较多的浮子式传感器、超声波水位传感器、压力式水位 传感器等自身都存在种种缺陷。 太原理工大学测控技术研究所研制的感应式数字水位传感器，在水利工程中大量使 用，获得了国家科技进步二等奖。该水位传感器脱开了传统的模拟量检测方式，信号采 样采用数字化直接取样的方式，取样数据只有o 与“1 ”，不存在模糊数据，基本克服了 温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影向，提高了检测的准确性、可靠 性，经现场实验，运行良好。 水位传感器有三线制和两线制两种，感应式数字水位传感器是三线制，传统的应用 需要从监测中心引出电源和信号电缆，很多水文监测点处于地广人稀、远离村庄的深山 峡谷，自然环境恶劣，布线的成本非常高，而且不便于调试和组网，限制了感应式数字 水位传感器的应用。 本文根据感应式数字水位传感器的工作原理和特点，设计了一种感应式数字水位传 感器无线变送器，并据此搭建了应用感应式数字水位传感器的低功耗无线数字水位采集 系统，系统采用太阳能供电和无线通讯方式，解决了感应式数字水位传感器应用于水位 监测点分散，距离远的场合时所遇到的布线困难问题，因此具有一定的实际意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究动态 要实现对水位数据的采集，设计低功耗的无线数字水位采集系统，精确的检测水位 高度、通过无线通讯可靠地传输数据是技术关键，选择低功耗的器件和合适的太阳能电 池板及蓄电池也是设计的重要组成部分，所以必须对相关技术有充分的了解。 1 2 1 水位传感器方面 实际工程中常用的水位传感器主要有以下几种类型3 4 ，5 6 】： 1浮体式水位传感器 这类传感器是根据水的浮力来实现水位采样的。它的结构特点是必须有浮体浮于水 面。其采集水位信号的原理是：浮体浮于水面随水升降，同理浮体随水位移的信号，通 过浮体以一定方式传递出去，实现水位采集。浮体式水位传感器依据浮体传递水位信号 方式的不同，又可划分为不同种类。浮子式光纤水位传感器是一种常见的浮体式水位传 感器。 浮体式水位传感器的主要缺点有两个：一是冬季结冰时无法正常工作；二是无法在 流动的水中测量水位，需建测井。 2压阻式水位传感器 水具有压力，并且水的压力与水的深度成正比，利用水的这一性质采集水位信号的 传感器，被称为压阻式水位传感器。压阻式水位传感器水位取样的基本原理是基于单晶 硅材料的压阻效应。也就是说，半导体单晶硅在受到水的压力后，其电阻会发生改变， 且改变量与水的压力成正比。 压阻式水位传感器灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化，是目前 非电量测量技术中非常重要的检测手段。这类传感器的主要缺点是，在大应变状态中有 较明显的非线性，输出信号弱，故抗干扰能力差。 3 传热式水位传感器 这类传感器是基于水的导热特性而研制的。水的导热速度与空气相比差别很大，若 将功率一定的发热体分别置于水及其同温的空气中，发热体表面的温度显著不同，即发 热体在水中的表面温度低于其在空气中的温度，发热体功率越大，差别就越明显。这种 根据传热原理研制的传感器，是将水位测量转化为温差测量。这种传感器能满足可靠性 的要求，但精确度较低。 4 超声波水位传感器 超声波水位传感器是根据水能传播声波的特性研制的。超声波水位传感器采集水位 信号的原理是：传感器内部放射源向水表面发射超声波，水反射部分回波，这种反射波 被同传感器探测，并转换成电信号。这种传感器适用于腐蚀性液体的测量。 5导电式水位传感器 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 自然界的水具有导电性，人们利用水的导电性研究出了各种水位传感器，人们把这 些水位传感器统称为导电式水位传感器。这类传感器采集水位信号的基本原理是利用水 的导电性将水位信号转换成电信号。转换方式有两种：一种是将水位变化转换成电容变 化；另一种是利用水位变化与电极接触，来实现水位信号到电信号的转变。根据水位信 号转换成电信号的不同方式，导电式水位传感器可分为两种类型：电容型和电接触型。 ( 1 ) 电容型水位传感器 这种传感器是利用的水的导电性，把水构成电容器的一个极板，将水位变化转换成 电容变化来检测水位信号的。电容式水位传感器的测量电路常见的有变压器电桥式、运 算放大器式及脉冲宽度式等。与其它水位传感器相比，电容型水位传感器具有灵敏性好、 输出电压高、误差小、动态响应好、对恶劣环境适应性强等优点。 ( 2 ) 电接触型水位传感器 电接触型水位传感器是依靠水的导电性来采集水位信号的。它利用水的导电性，通 过水位变化与相应的电极接通，把水位信号转换成电信号。依靠电极与水接通拾取水位 信号，也是这种传感器的特点。电极用金属材料制成，纵向依次排列在空芯棒外或安装 在棒内，但必须使电极能够与水接触。 电接触型水位传感器结构简单。安装使用都很方便、性能较稳定、价格低廉，因此 备受用户欢迎。 经过几十年的发展，水位传感器的种类繁多，但能够在水位数据的采集时就实现数 字化的却很少见，太原理工大学测控技术研究所马福昌教授等人研制的m f c 系列水位 传感器就是其中较为突出的一类，该类传感器现在仍居国内外领先地位。“感应式水位 传感器”就是是其中的一种，该传感器应用数字化数据采集的新技术，采用全数字化电 路，通过刻度采集水位信号，从开始采集水位信号就实现了数字化，经过内部电路处理， 输出电流信号，由于从采集水位信号到输出的信号是全数字的，数字信号受温度的影响 很小，不但解决了微弱信号抗干扰的问题，而且也基本克服了温度漂移问题。传感器信 号输出采用国际数字信息化网络标准接口电路。 1 2 2 目前流行的无线传输技术 ( 1 ) 数传电台( d a t ar a d i o ) ：借助d s p 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电 厶 口o 。 ( 2 ) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务：一种基于包的无线通讯服 务。g s m ：第二代蜂窝移动通信系统，也是全球第一个对数字调制方式、网络结构 和业务种类进行标准化的数字蜂窝移动通信系统。 ( 3 ) 无线射频身份识别系统( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称r f i d ) ：r f i d 是针对常用接触式识别系统缺点加以改良。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) ：一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的 短距离无线连接为基础，可为固定或移动的终端设备提供廉价的接入服务。i l j ( 5 ) 红外线通讯技术( i r d a ) ：一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案， 主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。 ( 6 ) n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，近距离无线传输) ：由p h i l i p s 、n o k i a 和s o n y 主 推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。 ( 7 ) z i g b e e 技术：z i g b e e 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过 跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。 ( 8 ) w i f i 技术，w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y , 无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称是 i e e e s 0 2 1 l b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。 1 2 3 单片机的低功耗方面 单片机技术已经渗透到人类生活的方方面面，在家用电器、通讯产品等日用电子设 备中都可见到单片机。在工业生产中，也可处处见到单片机的身影。1 i 公司的m s p 4 3 0 系列是超低功耗类型的单片机。其功耗是一般单片机的i 5 ，特别适合于应用电池的场 合和手持设备。同时该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合于设计片上系统； 有不同型号的器件可以选择，给设计者带来很大的灵活性。它的1 6 位精简指令架构， 有大量的工作寄存器和数据寄存器( 目前最大的r a m 为2 k b ) ，其r a m 单元也可实 现运算。m s p 4 3 0 系列是众多单片机系列中的一颗耀眼的新星。该单片机在设计上打破 常规，采用了全新的概念，在低功耗方面做得尤为突出，低电源电压、超低功耗，非常 适合各种要求功耗低的应用场合。 1 2 4 太阳能电池板和蓄电池方面 在我国太阳能的利用率还非常低，但太阳能电池板( 进行光电转换，把太阳能转换 为电能) 和蓄电池已经是非常完善的技术。日本三洋电机开发的太阳能电池模块，转换 效率非常高，达到了1 6 2 。目前，转换率最高的是安装在航天器上的太阳电池板，它可 将3 0 的太阳能转换为电能。地面使用的硅材料太阳能电池板转换率为1 5 18 ，塑料 太阳板转换率仅为3 - 4 ，而采用新型材料的太阳能电池板转换率可达1 0 ，这对塑料 太阳板而言，已相当可观。新型材料太阳板的最大优点是，制造和使用成本低( 耗材降低 1 0 0 倍) ，可弯曲性能好，甚至可以类似印刷报纸一样生产。 各类蓄电池产品：包括各国生产的汽车蓄电池、摩托车蓄电池、电动车用新型蓄电 池、铁路系统用蓄电池、通讯领域用蓄电池、电力工业用蓄电池、矿灯和信号系统用蓄 电池、各种应急和备用电源系统、以及其他应用蓄电池的工业和民用产品。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 课题任务和系统的功能、特点 1 3 1 课题任务 本人所完成的课题任务如下： ( 1 ) 设计数字水位采集系统的软、硬件，采集水位数据。 ( 2 ) 研究数据的无线传输系统，把采集到的水位数据传送到检测中心。 ( 3 ) 选择太阳能供电，制定实验计划，考察系统的功耗和太阳能供电能力。在满足系统 长期可靠正常工作要求的基础上，选择最经济的蓄电池和太阳能电池板。 ( 4 ) 在监测中心建立一个信息管理系统，完成数据的收集、管理、统计、分析等处理功 能。 1 3 2 系统的主要功能 ( 1 ) 实时监测现场水位数据 用户可以通过上位机随时检测现场水位数据。 ( 2 ) 工作于“休眠”和“唤醒”状态 上电后无线变送器和传感器处于“休眠”状态，当收到上位机水位采集命令时系统被 唤醒，采集水位数据，获得上位机确认信息后重新进入“休眠”状态。 ( 3 ) 系统设置功能 用户可以通过中央控制电脑进行采集方式的设置。 ( 4 ) 系统管理功能 上位机管理软件建立数据库存储水位数据，访问者可以查看这些数据，并在中央控 制电脑上管理历史数据。 ( 5 ) 水情分析功能 系统上位机管理软件可以对历史数据进行报表分析，制作出分析图、盐线图、柱状 图等，并可以在打印机上输出。 1 3 3 系统主要特点 ( 1 ) 低功耗 系统从传感器和各种芯片的选型以及工作方式等角度着重考虑低功耗问题，最大限 度地降低系统功耗。 ( 2 ) 可实现无人值守 下位机采用蓄电池供电、太阳能电池板补充电能的供电方式，系统从各个方面降低 功耗，能够满足在野外长期可靠正常工作的要求。 ( 3 ) 无需安装电缆 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统采用无线通讯方式和清洁的太阳能，所以不需要安装信号线和电源线。 ( 4 ) 用户界面友好 点击用户界面的按钮就可以完成全部操作，操作人员无需了解系统的运行状况，一 切皆在后台执行。 1 4 论文组织结构 本文分七章对低功耗无线数字水位采集系统的硬件、软件、通信协议等几方面进行 了详细的阐述。 第一章，绪论。首先阐述了低功耗无线数字水位采集系统的研究背景和意义，介绍 了水位传感器的发展动态和当今中外各种流行的无线传输方式，以及国内外在低功耗单 片机和太阳能方面的研究成果。就目前感应式水位传感器在实际应用中存在的问题提出 了本课题的设计任务，介绍了低功耗无线数字水位采集系统的主要功能和特点，最后说 明了文章结构。 第二章，系统总体设计方案。首先给出了系统结构框图，然后阐述了系统整体功能 设计，以及上位机和下位机的功能设计，最后解释了系统无线传输方式的选择。 第三章，下位机系统硬件设计和分析。首先论述下位机的硬件设计，对传感器部分， 微控制电路及射频电路进行了详细的说明，阐述了各元器件的选型、电路的设计、硬件 电路的工作原理和电路原理图的绘制等。 第四章，下位机软件设计。射频电路的收发数据的软件设计，控制部分的软件设计， 系统通讯协议的软件设计。 第五章，上位机软硬件设计。包括上位机前端设备的硬件设计和软件设计，以及上 位机管理软件的设计。上位机前端设备的软硬件设计和下位机对应，上位机管理软件设 计，要求界面友好美观，功能完善。 第六章，实验结果与分析。测量下位机功耗和太阳能电池板、蓄电池的供电能力， 分析实验结果，为下位机选择最经济的满足系统能够长期正常可靠工作要求的太阳能电 池板和蓄电池。 第七章，总结与展望。主要是根据测试对系统性能进行了分析和评估，并对本课题 设计开发的无线物数字水位采集系统进行了总结，以及对这个课题未来的展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体设计方案 在感应式水位传感传统应用中，需要给传感器接上电源线、地线和信号线，即使用 户不需要水位数据，传感器也始终处于工作状态。这样一来传感器的功耗很大，而且当 水位监测点比较分散，地理环境恶劣时电缆安装将十分繁琐，并且安装电缆本身就会增 加成本，还会给未来的检修和维护带来很多麻烦。介于如上问题，本系统的设计思路是： ( 1 ) 采用无线通讯和太阳能供电，无需安装电缆。 ( 2 ) 采用低功耗的微控芯片和无线传输方式，在硬件上降低功耗。 ( 3 ) 控制系统处于“休眠”和“唤醒”状态，平时下位机处于“休眠”状态，当用户需要水位数 据并向下位机发出水位采集命令时，下位机才被“唤醒”，从工作方式上降低功耗。 ( 4 ) 测量下位机功耗和太阳能电池板、蓄电池的供电能力，为下位机选择最为经济而且 满足系统能够长期正常可靠工作要求的太阳能电池板和蓄电池。 2 1 系统总体结构框图 低功耗无线数字水位采集系统总体结构框图如图2 一l 所示。本系统包括上位机系 统和下位机系统两个部分。上位机系统位于水位监测中心，下位机系统位于水位监测点 现场。 2 2 系统工作原理 图2 1 系统总体结构框图 f i g2 一lt h eo v e r a l ls t r u c t u r eb l o c ko fs y s t e m 由上图可以看出系统由水位监测中心的上位机中心管理电脑，上位机前端设备，以 及水位监测点的下位机( 包括感应式数字水位传感器和无线变送器) 三部分构成。 感应式数字水位传感器采集水位信号，信号经调理电路调整，输入微处理器进行模 数转换，然后微处理器将采集到的水位数据整理打包，通过s p i 串行外设接口传送给 n r f 9 0 5 射频模块，n r f 9 0 5 将水位数据发送给上位机，n r f 9 0 5 射频模块还负责接收上 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 位机的确认信息和数据采集命令。水文监测中心需要水位数据时，可以通过上位机发出 水位数据采集命令，唤醒感应式数字水位传感器无线变送器，采集水位数据，实时察看 水位检测点的水位信息。 2 2 1 传感器工作原理 传感器垂直安装于水中，由下端的发射头向水中发射超音频数字信号，信号通过水 向感应元电路传递，每个感应元电路都是由一组接收超音频数字信号的接收电路、获取 电平信号的检波电路和触发开关电路组成。当水位达到某一感应元时，该电路输出信号 为“0 ，否则为“1 ”。若干个感应元电路组成了一条水位感应线，构成了一把数字水位尺。 传感器的分辨率取决于感应元电路的排列密度，取样信号经处理后以超低频信号输 出。采用这种数字式直接取样方式，取样数据只有“0 与“1 ”，基本克服了模拟量检测方 式容易受干扰而带来误差的问题。感应式数字水位传感器的突出特点：测量准确可靠， 信号可远距离传输( 水位信号不需要变送和中继处理即可传送2 0 k i n 以远) ；不怕泥沙污 物、不怕强水流、不怕强酸强碱，是一种经久耐用的传感器；使用维护简单，安装方便， 可垂直悬挂或贴壁固定，无须其它辅助工程。7 j 2 2 2 无线变送器工作原理 感应式数字水位传感器采集到的水位数据经过调理电路调整，上传给无线变送器， 变送器中的微处理器将其整理打包，通过s p i 串行外设接口传送给n r f 9 0 5 射频模块， n r f 9 0 5 将水位数据发送给上位机，n r f 9 0 5 射频模块还负责接收上位机的确认信息和数 据采集命令。 2 2 3 系统通讯模式 图2 2 系统通讯模式框图 f i g2 2t h em o d eb l o c k o fs y s t e mc o m m u n i c a t i o n 射频系统主要由射频电路、天线、接口和控制主机组成。变送器发出的信号由上位 机前段设备接收，该设备同样由微控制器和射频模块组成，控制器将收到的水位信息通 过r s 2 3 2 接口输入p c 机。感应式数字水位传感器无线变送器的无线射频通信模式如图 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 所示。 2 2 4 上位机信息管理系统工作原理 上位机由前端设备和中央控制电脑组成。监测人员需要查看水位数据时，通过上位 机信中央控制电脑管理软件向下位机发出采集命令，下位机系统接到采集命令后被唤 醒，采集到水位数据后，通过射频模块发送给上位机，上位机管理软件储存整理，方便 查阅历史数据和分析规律。 2 2 5 系统实验 设计实验方案，测量无线变送器和感应式水位传感器的工作电流，根据系统的理论 功耗，为系统配备不同容量的蓄电池和不同大小的太阳能电池板。做实际的实验，测量 太阳能电池板和蓄电池的供电能力，为下位机选择满足系统能够长期正常可靠工作要求 的，最为经济的太阳能电池板和蓄电池。搭建起整个系统，经过调试，做长期可靠性的 实验。 2 3 无线传输方式的选择 在无线数字水位采集系统中，如果监测中心能及时地了解测点的水位情况，不但会 提高工作效率，而且会给决策者提供很大的决策空间。以往的一些数据传输方法如有线 方式、短消息方式等施工复杂、通信费用高，而无线通信方式组网简单，运行安全可靠。 因此，系统选用无线方式进行数据的通信。 2 3 1 无线数据传输发展趋势 随着无线个人局域网络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , w e a n ) 和无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w e a n ) 技术迅速发展成为计算机网络的一个重要组成部 分，无线互连也通过各种不同的方式( 射频、蓝牙、红外等技术) 成为我们日常生活中的 一部分。不仅是现在，将来更是如此。无线数据传输主要是利用无线电波进行通信。 目前的无线电网络主要是指无线局域网w u 蝌1 2 9 1 ，由于w l a n 产品不需要铺设通信 电缆或通信光缆，可以灵活地应付各种网络环境的设置变化。随着网络的普及和网络技 术的进步，w l a n 在许多领域得到了充分的应用，家庭应用、企业应用以及公众网络运