（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的无线水位监测系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水位监测在水利土木观测以及建筑物的安全诊断等方面都有着重要的现实意义。多 年来，水利土木工作者都在努力寻找更加方便，更加可靠的水位监测方法。好的监测方 法，不仅可以让观测人员达到事半功倍的效果，大大减轻观测人员的劳动强度，而且能 够在尽量降低成本的前提下实时准确地提供当前水位信息，为决策者提供可靠的依据。 随着嵌入式技术以及无线通信技术的飞速发展，多种远程水位监测系统被设计了出 来，极大的方便了观测人员。但是目前已经存在的各种水位监测方法，都存在着一定的 局限性，大多只适用于特定的任务，也就是说不能很好的满足每一个应用的需求。本文 根据大连站北广场地下水位监测这一实际应用项目的需要，设计了一种基于z i g s e e 技 术的无线水位监测系统，不仅很好的满足了当前用户的需求，并且为今后类似的项目以 及其他方面的远距离无线数据采集，提供了一个很好的开发平台和设计思想。 本文首先分析了用户的实际需求，在此基础上结合当前嵌入式技术以及无线通信技 术的最新发展现状，提出了一种综合使用a r m 处理器，c d m a 和z i g , b e e 无线通信技 术的多层次水位监测方案。然后根据所提出的方案，对该项目进行了整体结构设计以及 各个功能模块的划分和设计。接下来，本文对该项目进行了硬件选型以及各部分硬件结 构设计，为水位监测系统搭建了经济适用的硬件平台。然后，针对具体功能模块进行了 相应的操作系统定制移植和应用软件以及通信协议的设计。最后，对该项目进行了认真 细致的测试，确保把一个可靠、准确、灵活的系统交付给最终用户。另外，本文还对项 目开发过程中遇到的问题和收获的经验进行了总结，并针对不足的地方对今后相关的课 题研究工作提出了展望。 关键词：嵌入式系统；a r m ；z i g b e e ；c d m a ；水位监测 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s sw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n z i g b e e a b s t r a c t w a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mp l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nw a t e rc i v i lo b s e r v a t i o na n d t h es a f e t yo ft h es t r u c t u r e sd i a g n o s i s o v e ry e a r s ，p e o p l et r yt of i n dam o r ec o n v e n i e n ta n d r e l i a b l em e t h o df o rw a t e rl e v e lm o n i t o r i n g ab e t t e rw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gm e t h o dc a nm a k e p e o p l em u c he a s i e ra n ds h o wt h ea c c u r a t ei n f o r m a t i o no f w a t e rl e v e lw i t l lt h em i n i n m n lc o s t s o ，p e o p l ec a nm a k ead e c i s i o ns o o na r e rg e t t i n gt h ew a t e rl e v e li n f o r m a t i o n a v a r i e t yo fr e m o t ew a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e m sw e r ed e s i g n e do u tb e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hb r i n g m u c hc o n v e n i e n tt op e o p l e t h e r ea l es o m el i m i t a t i o n st ow a t e rl e v e lm o n i t o r i n gm e t h o d w h i c hp e o p l eu s e db e f o r e ，b e c a u s et h e s em e t h o d sc a nn o tm e e tt h en e e d so fe a c ha p p l i c a t i o n t h a ti st os a y , t h e s em e t h o d sd e s i g n e df o rs o m es p e c i a ls i t u a t i o n sa n dn o tf o re v e r y a p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h en e e do fd a l i a nn o a hs t a t i o np l a z ag r o u n d w a t e rm o n i t o r i n g p r o j e c t ，t h i sa r t i c l ed e s i g n so u taw i r e l e s sw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e e t h i ss ”t e mn o to n l ym e e t st h en e e d so fp e o p l er i g h tn o w ，b u ta l s op r o v i d e sa ne x c e l l e n t d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rf u t u r e t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ea c t u a ln e e d so fu s e r sa n dl a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fe m b e d d e d s y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e n ，aw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c h h a s e do na r m c d m aa n dz i g 3 e eh a sb e e nd e s i g n e do u t a n dt h i ss y s t e mh a sm u l t i s t o r e y s t r u c t u r e f i r s to fa l l ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g na n dd e l i n e a t i o no ff u n c t i o n a lm o d u l e sh a v e b e e nc a r r i e do u t s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds h o w st h ed e t a i lh o wt o m a k et h ep l a t f o r m t h i r d l y , s o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e di nt h i ss y s t e ma r e d e s i g n e do u t a tt h es a l n et i m e ，p e o p l em a yr e a l i z eh o wt h es o f t w a r ew o r k sb yw a t c h i n gt h e f l o w c h a r ti nt h i sa r t i c l e f i n a l l y , r i g o r o u st e s t i n go ft h es y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u tt om a k e s u r et h es y s t e mi sc o r r e c ta n dr e l i a b l e a f t e rf i n i s h i n gt h es y s t e m ，t h i sa r t i c l em a k e sa s u m m a r yo ft h ew o r ka n dp m p o s e st h ep a r t st h a ts h o u l db ei m p r o v e da n dt h ep r o s p e c t so f f u t u r ew o r k k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；z i 9 8 e e ；c d m a ；w a t e rl e v e lm o n i t o r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：拉日期：么翻显l ! 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者虢鲑 靳繇害址 丛驻年_ l 月王f f 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 水位监测属于水利土木安全监测的一个分支，是一项有重大实际意义的研究课题。 目前，随着嵌入式技术和无线通信技术的飞速发展，水利土木安全监测手段也同样得到 了快速的发展。从最早的人工观测，到使用电缆传输数据的有线观测方法，再到现在的 无线监测系统，可以说新技术层出不穷【l 】。国内外已经有大量的文章研究了将嵌入式技 术应用于安全监测领域的课题，也有了很多相关产品的问世【2 1 。但是水利土木安全监测 系统有这样的特性，那就是每一个应用，都有区别于其它应用的地方，设计人员不能够 简单照搬已有的监测模式，而需要根据实际需求寻找最合适的解决方案。 1 1 本课题的由来 本课题来源于大连站北广场地下水位监测这一实际项目，受施工方委托，本研究室 需要为他们提供一套完整的解决方案，使之能够方便地实时监测大连站北广场地下水位 变化情况。下面本文首先简单介绍下站北广场的概貌。 大连站北广场，顾名思义，位于大连火车站北面，是一个集城市观光和休闲购物于 一体的大型建筑。广场的地面部分用来供游客游览或者举办大型集会，地下部分是2 层 的凯旋商城。每天站北广场都要接纳数以万计的游客，因此广场的安全性格外重要。由 于地形的缘故，站北广场的地基有一部分接触到了地下水，如果地下水位过高，就会危 及建筑物的安全。轻者凯旋商城渗入地下水，严重的情况下整个广场建筑结构都会受到 影响。如果水位升高后能够及时发现，并且将地下水抽出，使得水位保持在一个合理的 范围内，就不会对广场建筑物产生任何影响。 最早，站北广场水位监测的工作是由人工来完成的，监测人员定期到指定地点进行 观测，既费时费力又无法做到实时可靠。因此，结合施工方提出的需求以及本研究室自 身的技术特点，本文针对站北广场地下水位监测这一应用，设计了一套基于嵌入式和无 线通信技术的无线水位监测系统，一方面很好的满足了用户的需求，另一方面也为今后 类似的应用提供了一个很好的平台和解决方案。 1 2 国内外研究现状 随着嵌入式技术的飞速发展，无论是在国内还是国外，嵌入式技术都已经得到了广 泛地应用，其可靠性也得到了广泛地验证【3 】。嵌入式技术应用于水利土木监测领域，为 各种安全监测提供了强有力的技术支持。但是国内外这方面的研究成果还是具有一定的 差距。主要体现在，国际先进水平的水利土木安全监测系统，已经得到了广泛的应用， 基于z i g b 的无线水位监测系统的设计与实现 形成了一定的市场规模和占有率。国际上处于领先水平的技术相对于国内技术的优势在 于：传感器技术更先进，监测系统的整体设计能力更强，从业公司比较多，市场认知度 比较高。国内这方面的研究目前开展的也很多，发展相对来说也很快，市场前景也比较 看好。 嵌入式平台大多都是发达国家提供的产品，国内在平台设计方面比较落后，但是本 研究室也能够接触到国际上比较先进的嵌入式平台，能够为系统构建良好的硬件基础。 在无线通信技术方面，也可以接触到国际上比较先进的无线通信技术。就像本课题中采 用的z i g b e e 技术，是一种新兴的短距离低数据率无线技术，特别适合于构建小范围内 的无线数据采集网络。本文通过使用z i g b e e 技术，很好的解决了用户的需求。由于是 新兴技术，z i g b e e 的应用目前在国内外还不是特别多，本文将它应用于水位监测系统， 在本研究室范围内是一项新的尝试，最终达到了满意的效果。 1 3 课题的研究内容和论文结构安排 从以上内容不难看出将嵌入式技术应用在水利土木安全监测领域的可行性、便利性 以及重要性，通过使用嵌入式技术，可以方便地实现各种传感器信号的采集和处理。除 此之外，本系统还需要使用合适的无线通信技术来保证可靠，实时地传送控制命令以及 传感器数据。 本文以大连站北广场地下水位监测这个实际项目为应用背景，综合利用了嵌入式技 术以及多种无线通信技术，设计并实现了一个远程无线水位监测系统。具体的章节安排 如下： 第一章介绍了本课题的由来和国内外研究现状。 第二章的主要内容是水位监测系统的总体设计。本章首先分析了用户的实际需求， 提出了系统设计概要。接着分析了无线通信网络的构建，给出了系统的组网方式。然后 再依据设计思想，对系统进行了功能模块的划分。在划分好功能模块的基础上画出了整 个系统的功能结构图。最后本章详细说明了整个系统的工作流程和具体实现方式。 第三章主要讲述了本文采用的硬件平台，并且在上一章划分好功能模块的基础上详 细阐述了每一个模块的设计思想和实现细节。对于部分比较重要的硬件电路，本章还给 出了原理图，以方便读者参考。 第四章阐述了整个水位监测系统的软件设计思想。在这一章中，首先进行了嵌入式 操作系统的选型和内核移植，然后完成了a r m 平台上的区域采集控制系统的软件设计。 接下来说明了数据采集终端的程序设计思想。然后，详细介绍了服务器端软件的开发方 式和实现功能。最后，将整个系统使用的通信协议，做了解释说明。 大连理工大学硕士学位论文 第五章主要记录了本系统开发过程中的各项测试结果，并且对所遇到的问题进行了 相应的分析总结。这一部分是整个无线水位监测系统可靠运行的重要保证。 3 一 基于z i g b e e 的无线水位监测系统的设计与实现 2 系统总体设计方案 在项目开始之前，首先认真分析了用户的实际需求，确保用户提出的需求是可以实 现的，接着实地考察了大连站北广场的地形结构，然后综合考虑本研究室的技术实力、 产品开发周期、产品成本、产品维护以及升级的方便程度等因素，提出了本文的设计方 案。 2 1 系统设计概要 本研究室有较多的水利土木安全监测方面的实际项目经验，水位监测方向的课题， 以前也有过一定的研究和实践。所以，用户提出的建立水位监测系统的需求，本研究室 利用已经掌握的嵌入式技术可以很好的满足。首先是传感器方面，压阻式传感器和超声 波液位仪都是经过实际验证的可靠的水位传感器，可以根据不同的地理环境和用户的不 同需求，分别使用它们。其次，嵌入式平台方面，本研究室已经有了较为丰富的1 6 3 2 位嵌入式开发经验，能够根据用户的不同需求，构建最合适的嵌入式平台满足用户的需 求。然后是无线通信技术方面，因为站北广场面积比较大，地形结构复杂，有线网络布 线比较困难，所以用户要求使用无线通信技术构建采集系统。本研究室研究过大多数的 主流无线通信技术，也有丰富的无线开发经验，能够根据实际应用，使用最合适的无线 通信技术满足用户的需求。最后是系统的可靠性方面，由于水利土木安全监测项目实际 意义重大，所以对系统可靠性大多要求比较高。本研究室可以利用已有的项目经验和严 格的歼发测试流程，确保系统的安全可靠。 在能够满足用户基本需求的前提下，本文还要研究如何针对用户的具体要求，设计 出最适合于当前应用的系统。任何用户最关心的都是系统的可靠性，在可靠的前提下， 用户对于系统成本也是非常关心的。为了在不影响系统性能的前提下，尽可能降低系统 成本，本文在嵌入式硬件的设计方面采用了1 6 位的m s p 4 3 0 处理器和3 2 位的a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 处理器相结合的设计方案。通过嵌入式微处理器的高低搭配，能够充分发挥不 同性能微处理器的最大功效。 根据站北广场特殊的地理位置特点，即大多观测点均位于方圆2 公里的范围内这一 现象，本文将z i g b e e 这一新兴技术应用于水位监测领域。相对于有线传输来说，大大 降低了施工布线的复杂性；另外对于以往使用的无线传输手段来说，系统的灵活性大大 提升，功耗有明显下降，另外通信费用也降到了最低。 大连理工大学硕士学位论文 依据用户水位观测和数据处理的要求，还为用户提供了配套的上位机软件，提供了 数据存储以及定时采集等功能。服务器软件与整个采集系统配和使用，可以极大地方便 用户的采集工作。 2 2 无线通信网络设计 作为无线水位监测系统，构建无线通信网络，是整个系统中非常重要的一个环节。 本文首先分析比较了几种市面主流的无线通信技术，然后针对本次应用，选择了最合适 的远距离和近距离数据传输手段，通过综合使用两种技术，构建了整个监测系统的无线 通信网络。 2 2 1多种无线通信技术的分析比较 ( 1 ) i r d a i r d a 是i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 的英文缩写，即红外线数据标准协会，成立于1 9 9 3 年。是一个致力于建立无线传播连接的国际标准非营利性组织。目前在全球拥有1 6 0 个 会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。 简单地讲，i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件 技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点有： 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏，频道使用费用 增加的背景下是非常重要的。 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。h p 公司目的已推出结合模块 应用的约从2 5 8 o 2 9 立方毫米到5 3 1 3 0 3 8 立方毫米的专用器件，与同类技术 相比，耗电量也是最低的。 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网中是最高的，由于采用点到点的连 接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 m b p s 【4 j 。 除了在技术上有自己的技术特点外，i r d a 的市场优势也是十分明显的。目前，全 世界有5 0 0 0 万台设备采用i r d a 技术，并且仍然每年以5 0 的速度增长。有9 5 的手 提电脑安装了r d a 接口。在成本上，红外线l e d 及接收器等组件远较一般r f 组件来 得便宜，i r d a 端口的成本在5 美元以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1 5 美元以 内，相当于日前蓝牙产品的十分之一。 i r d a 的局限性。首先，i r d a 是一种视距传输技术，也就是说两个具有i r d a 端口 的设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但 在多个电子设备l 日j 就必须彼此调整位置和角度等；其次，i r d a 设备中的核心部件红外 基- 7 ：z j e , & e 的无线水位监测系统的设计与实现 线l e d 不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游 刃有余，但如果经常用装配i r d a 端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。 i r d a 的发展。i r d a 除了传输速率由原来的f i r ( f a s t i n f r a r e d ) 的4 m b p s 提高到最新 v f i r 的1 6 m b p s 标准；接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。这样，在台式电脑上 采用低功耗、小体积、移动余度较大的含有i r d a 接口的键盘、鼠标就有了基本的技术 保障。同时，由于i n t e r n e t 的迅猛发展和图形文件逐渐增多，i r d a 的高速率传输优势在 扫描仪和数码相机等图形处理设备中更可大显身手。 ( 2 ) b l u e i o o t h 蓝牙技术由爱立信、东芝、m m 和英特尔五家公司于1 9 9 8 年提出。主要用来打破 以红外线或电缆连接不同产品时受到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电话等设备与个人电脑 或任何其他设各、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可 进行数据交换1 5 】。 蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持 点到点和点到多点的通信的无线通信技术，蓝牙最早是作为电缆的替代的一种低功耗短 距离无线接口，实现在移动电话、便携式电脑和其他电子装置之间的无缝连接，进而形 成一个个局域网，使得其范围内的各种信息化的移动和便携设备都能实现资源共享。 虽然用途上与红外类似，其标准中也考虑到了与红外系统的兼容性，但是由于无线 电波比红外线有固有的优势，蓝牙技术具有更广泛的应用。但是未来的家居网络中设备 节点的数量将会越来越多，蓝牙有限的网络容量将会大大限制其在低速控制网络中的应 用。另外，蓝牙的成本始终高居不下，也就导致其无法适用于未来的大规模家居控制网 络的应用。目前己经有基于蓝牙的智能家居系统，但是因为系统造价高，所以无法推广 开来。 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在技术上是完全可行的。目前市场 上早已有蓝牙技术的抄表模块。但由蓝牙技术主要针对的是数据交换及语音信号传输， 同其它专有的抄表技术相比，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。 ( 3 ) w i f i 1 9 9 9 年9 月，电子和电气工程师协会( i e e e ) 批准了i e e e8 0 2 1 1 b 规范，这个规范 也称为w i f i 。w i f i 的全称是w i r e l e s sf i d d i t y ，又叫8 0 2 “b 标准。它的最大优点就是 传输速度较高，可以达到l i m b p s ，另外它的有效距离也很长。i e e e8 0 2 1 1 b 定义了用 于在共享的无线局域网进行通信的物理层和媒体访问控制子层。 大连理工大学硕士学位论文 在物理层，i e e e8 0 2 1 l b 采用2 4 5g h z 的无线频率，最大的位速率达1lm b p s ，使 用直接序列扩频( d s s s ) 传输技术嘲。在数据链路层的m a c 子层，8 0 2 1 l b 使用“载波 侦听多点接入冲突避免( c s m a c a ) ”媒体访问控制( m a c ) 协议。 需要传输帧的无线工作站首先侦听无线媒体，以确定当前是否有另一个工作站正在 传输( 属于c s m a c a 的载波侦听的范畴) 。如果媒体正在使用中，该无线工作站将计算 一个随机的补偿延时。只有在随机补偿延时过期后，该无线工作站才会再次侦听是否有 其他正在执行传输的工作站。通过引入补偿延时，等待传输的多个工作站最终不会尝试 在同一时刻进行传输( 属于c s m a c a 的冲突避免范畴) 。 冲突可能会发生，并且和以太网不同，传输节点可能没有检测到它们。因此，8 0 2 1 1 b 使用带确认( a c k n o w l e d g m e n t ，a c k ) 信号的“请求发送( r c q u e s tt os e n d ，r t s ) 清除发 送( c l e a rt os e n d ，c t s ) ”协议，确保成功地传输和接收帧。 ( 4 ) 数字电台 常见的数字电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面 贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点1 7 】，电台提供标准 r 8 2 3 2 数据口可直接与计算机、r t u 、p l c 、g p s 接收机、数码相机、数据终端等连接， 任何型号电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达5 0 公里以上，能适应室 内或室外的恶劣工作环境。某些型号电台数据和话音兼容，可工作于单工、半双工、时 分双工t d d 、全双工方式，收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监管 功能，满足各行业调度或控制中心与众多远方站之间的数据采集和控制。 数字电台作为比较成熟的技术，具有自己的技术特点。其最主要特点就是传输距离 很远，可靠性比较高。因为这些优点，数字电台已经广泛应用于石油天然气生产，调配 输送自来水，废水，煤气工程，电力调度，配网自动化，负荷控制，铁路通信系统，交 通控制系统等等。缺点在于功耗比较大，数据传输受到无线电管制影响，另外施工地点 的地理环境可能对传输距离有影响。 ( 5 ) c d m a g p r s g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i 的英文简称，是在g s m 系 统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频 规则以及同样的t d m 流帧结构【s 】。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收 数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分 组数据业务。 基于z i g , b e e 的无线水位监测系统的设计与实现 和现有的通信网络相比，g p r s 有几个新特点。g p r s 一个最突出的特点就是“永 远在线”，g p r s 采用的是分组交换技术，不需要像m o d e m 那样拨号连接，用户只有 在发送或接收数据时才占用资源。g p r s 以传输资料量计费，这种计费方式对消费者来 说更合理。 c d m ai x 原意是指c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s - 9 5 ，低于2 m b p s ) ，可支 持3 0 8 k b p s 的数据传输、网络部份引入分组交换，可支持移动p 业务。是在现有c d m a i s 9 5 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为c d m a 用户提供分组形式的数据 业务。 随着移动通信技术的不断发展，采用g p r s c d m a1 x 通信方式的移动数据通信网 络已经覆盖了全国各地，网络运行稳定，这给行业应用带来了广阔的市场前景。由于各 行各业的应用特点不尽相同，它们对信息化的需求也各有差异，这就要求移动通信运营 商提供的行业应用解决方案不仅能够满足行业用户一般化的信息通信需求，而且能够充 分满足其个性化的特殊需求 9 1 。为此，近两年来，中国移动和中国联通两大移动通信运 营企业以行业用户的需求为导向，积极进行移动行业应用创新实践，致力于为行业用户 提供量身定做的解决方案。 ( 6 ) z i g a e e z i 9 8 e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和 蓝牙之间的技术提案。z i g b e e 协议比蓝牙、高速率个人区域网( p a n ) 或8 0 2 1l x 无线局 域网更简单实用【l0 1 。z i 9 8 e e 技术的主要特点包括以下几个部分： 数据传输速率低只有1 0 k b p s 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用； 功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上； 成本低，因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本； 网络容量大，每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说每个z i g , b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接；有效范围依据实际发射功率的大小和各种不同的应 用模式而定； 工作频段灵活使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ， 均为免执照频段； 采取了可靠的碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙， 避开了发送数据的竞争和冲。m a c 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数 据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发； z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功能，支持鉴权和 认证，采用了a e s 1 2 8 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 大连理工大学硕士学位论文 z i g b 是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术f l ，具有低成本、低 耗电、双向传输的特性，而且朝开放性工业标准方向努力。另外，i e e e 也将z j i g b e e 收 纳为i e e e8 0 2 1 5 4 标准，与z i g b e e 联盟共同推动此无线低速个人通讯标准( w p a n ) 。 z i g a e e 适用于一些简单、低成本的无线局域网络，其低耗电特性，只要使用两颗a a 电 池，即可维持数月甚至数年闻不用换电池，对于一般工业环境或家庭都很适用。 i e e e8 0 2 1 5 4 在提出之初就强调简单、廉价、低功耗：整个z i g b e e 协议栈大小约 为2 8 k b y t 豁，而蓝牙的协议栈大小约为2 5 0 k b y t 韶，目前支持z i g b e e 技术的芯片的价格 可以控制在每片$ 3 左右，大量生产后，其售价可望降低至$ l 左右；z i g b e e 非常强调低 功耗，发送时最大功耗为3 0 m w ，占空比约为0 1 ，用两节普通从电池通常可工作半年 到两年。尽管相对于8 0 2 1 1 、蓝牙等技术而言，它的数据率相当低，但是对于家庭控制 应用而言己经足够。 简单介绍之后，本文首先将几种短距离无线传输手段主要特性进行比较，如表2 1 所示： 表2 1 几种近距离无线通信技术比较 t 曲2 1 c o m p a r i s o no f s e v e r a ls h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 旦! ! ! ! ! ! 坐! ! 旦垒塑! ：旦兰i g 璺望 麻用领域电缆替代品传输w e b 、图像监测、控制 电池寿命( 大) l 72 0 0 +o 5 51 0 0 1 0 0 0 + 网络大小 带宽( k b p s ) 传输距离( m ) 7 7 2 0 1 1 0 + 1 1 6 0 0 0 l 从表2 1 可以看出目前几种主流的短距离无线通信技术的应用则重点各不相同，有 的应用于工业控制，而有的应用于生活娱乐。设计初衷不同，导致了它们的性能指标各 不相同。在本文中，需要使用近距离无线通信技术构建一个无线采集网络，不要求很高 的数据传输率，但是对传输距离有一定要求，因此本文决定使用z i g b e e 技术构建区域 采集网络。 至于远距离无线数据传输技术，主要的手段就是c d m a g p r s 和数字电台。考虑 到市区内不能随意使用无线电台，加之服务器距离采集系统比较远，本文首先放弃了数 字电台技术。c d m a 和g p r s 非常相似，c d m a 传输带宽稍大，加之该地区c d m a 网 络质量较好，因此使用c d m a 技术构建远程数据传输网络。为了更好的帮助读者理解 本系统的设计思想，下面本文详述采集网络的构建。 嚣一 吲弛 2 弛舢删 基于z i g b e e 的无线水位监测系统的设计与实现 2 2 2 无线采集网络的构建 首先，本文需要简述z i g b e e 技术的模块功能和网络构成。根据z i g b 协议，z i g b 网络设备共有3 种，它们是： ( 1 ) 网络协调器：包含所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存储容 量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点 信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 ( 2 ) 全功能设备( f f d ) ：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的f f d 或是精简 功能装置( r f d ) 连结，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。它的特点是：附 带由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能和所有特征；更多的存储器、计算能力可使其在空闲 时起网络路由器作用；也能用作终端设备。 ( 3 ) 精简功能设备( r f d ) ：r f d 只能传送信息给f f d 或从f f d 接收信息。它的基 本特点有：附带有限的功能来控制成本和复杂性：在网络中通常用作终端设备；z i g b 相对简单的实现自然节省了费用。r f d 由于省掉了内存和其他电路，降低了z i g b e e 部 件的成本，而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 通过使用上述3 种网络设备，z i g b e e 技术支持三种主要的自组织无线网络类型，即 星型结构、网状结构( m e s h ) 和簇状结构( c l u s t e r t r e e ) ，特别是网状结构，具有很强的网 络健壮性和系统可靠性【1 2 1 。不同网络的主要特点是： ( 1 ) 星型网 支持点对点、点对多点通信；中- t l , 节点为z i g b o e 协调器，终端节点为z i g b e e 终端 设备；所有数据经过中心节点；适合圆形分散、距离较近的设备联网。 ( 2 ) 网状网 系统采用多跳式路由通信；网络容量很大，可以跨越很大的物理空间，适合距离较 远比较分散的结构；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自 组织、自愈功能。 ( 3 ) 簇状网 该网络是以网络协调器为核心，连接前面介绍的两种网络，功能更强大，应用领域 更广。 下图2 1 表示了z i g b e e 技术的3 种组网方式。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 图2 1z i g b e e 网络拓扑示意图 如图2 1 所示，z i g b 技术的组网方式非常灵活，可以依据不同的应用需求，构建 不同类型的网络。考虑到本系统采集区域覆范围不是很大，按传感器功能划分只需要构 建一个采集网络，因此本文使用星型网作为区域采集系统的网络结构。其中r f d 连接 控制传感器的数据采集电路板，而f f d 则连接包含c d m a 设备的区域采集控制系统。 下面，本文详细介绍系统功能模块的划分。 基于z i g b e e 的无线水位监测系统的设计与实现 2 3 系统功能模块划分及设计 站北广场水位监测系统按照模块功能，可以分成3 个部分。分别是：数据处理服务 器、区域采集控制系统和数据采集终端。如图2 2 ，是整个采集系统的结构示意图。 图2 ，2 采集系统结构图 f i g 2 2 s t r u c t u r eo f t h es y s t e m 下面详细介绍每个功能模块的设计思想： 数据处理服务器，就是一台运行了上位机采集软件并且接入互联网的p c 机，可以 放置在任何用户需要的地方。它的主要功能是发送各种采集命令，控制另外两种设备进 行工作以及接收采集回来的各种数据，并且将数据按要求分析、显示和存储。 区域采集控制系统是一个区域内水位数据采集的核心节点【l 引。它的硬件基本组成包 括a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 处理器的核心板以及扩展板，c d m a 模块以及z i g b e e 中心节点模块。 另外根据客户的需求，还可以扩展l c d 显示器触摸屏和s d 卡存储器等设备。他主要负 责维护使用z i g a e e 组成的区域采集网络、接收转发服务器和采集终端之间的命令及数 据，另外还可以对采集数据进行一定的处理。 数据采集终端分为两种，最常用的一种包括各种传感器，数据采集电路板和z i g b e e 接入节点模块。它的主要功能是接收区域采集控制系统转发的服务器命令，完成采集过 大连理工大学硕士学位论文 程，然后将采集到的数据或出错信息以规定的数据格式返回给服务器。另外一种是物理 位置相对独立的数据采集终端，它可以使用c d m a 设备取代z i g b e e 设备，直接和服务 器通信f 1 4 1 。在本论文构建这个无线水位监测系统中，并没有用到独立数据采集终端，这 是由于本次应用的地理位置决定的。但是在系统的设计过程中，预留了这方面的接口， 为今后其他应用项目或者本项目的扩展，提供了良好的基础。 2 4 系统整体功能设计 下面本文从整体上阐述站北广场无线水位监测系统的设计思想和具体实现。根据用 户的实际需求，监测人员应该在服务器端就可以远程实时监测各点的水位变化情况。为 了方便观测人员，服务器端软件提供给使用人员的功能包括：强制采集数据，定时采集 数据，传感器参数配置，当前水位高度显示和历史水位高度显示等。服务器需要接入互 联网，以便与接入c d m a 网络的区域采集控制系统通信。 用户首先应该在服务器上面配置所使用的参数，这些参数包括传感器类型，传感器 的些标定系数和z i g b 模块对应的通信地址。参数设置好以后，用户可以根据自己 的需要选择强制采集或者是定时采集。这两种采集方式所发送的命令格式是相同的，区 别仅在于强制采集是手动采集数据，一次一采，而定时采集则可以完全按照设定的时间 间隔，自动采集数据。采集指令通过互联网发送到c d m a 网络，区域采集控制系统接 收到采集指令后，根据相应的z i g b e e 模块地址，将采集命令转发至相应的数据采集终 端。数据采集终端根据上位机要求，执行相应的采集操作之后，将数据进行一定的处理， 转化成标准格式后通过z i g b e e 网络发送至区域采集控制系统。该系统再将相应的数据 进一步处理，然后通过c d m a 网络和互联网发送到服务器端。服务器接收到数据后， 根据配置的参数进行处理，然后将有效数据显示出来供用户参考，同时将该数据存储到 数据库中，方便用户闩后调用察看。 本文设计的整个水位监测系统的主要工作流程就如同上文介绍的样子，这里描述的 只是系统最基本的功能和具体实现过程，具体到每一部分的模块实现细节，本文将在后 面的章节中详细讨论。 基于z i g b e e 的无线水位监测系统的设计与实现 3 系统硬件设计与实现 硬件平台的设计，是整个采集系统的基础，好的硬件平台可以很好地平衡系统性能 和成本之间的关系。并且只有当硬件设计基本定型的时候，软件部分的一些具体设计才 能开始进行。所以，本文在这一章中详细讲述了硬件部分每一个模块的设计思想和实现 细节。 3 1系统核心电路板的设计与实现 核心电路板是整个水位监测系统的核心部分，它负责所有命令信息和数据的中转传 输以及部分数据的处理。从物理组成角度讲，核心电路版主要包括：3 2 位微处理器 8 3 c 2 4 1 0 、s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t h ，f l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 ，以及所需要的辅助 部件，如晶体振荡器，电源模块等。下面详细介绍这几个部分的特性和设计思想。 3 1 1 核心处理器部分设计 处理器是嵌入式系统的核心，适当的选择处理器，才能设计出经济、高效的嵌入式 平台。处理器的选择，是硬件设计的首要工作。 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司是微处理器行业的一 家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器。以及相关技术及软件。 a r m 处理器技术具有性能高、成本低和功耗低的特点l i ”。适用于多种领域，比如嵌入 控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 ( 1 ) a r m 微处理器的应用领域： 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据 了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展， a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以 其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞 争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s