基于ZigBee的海水淡化装置监控系统的设计.pdf

网 络 通 信 与 控 制 电 气自 动 化 2 O 1 0 年 第3 2 卷第1 期 Ne t wo r k Co m mu n i c a t io n C on t r o l 基于 Z i g B e e的海水淡化装置监控 系统的 De s i g n o f Mo n i t o r in g Sy s t e m f or t h e Se a wa t e r De s a li n a t i on o n Zi g Be e 设计 De v i c e Ba s e d 河 t l c T大学计算机与 自动控制学院 河北唐山 0 6 3 0 0 9 李福进熊 伟 H e b e i U n i v e r s i t y o f T e ch n o lo g y T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 0 9 C h in a L i F u j in g X i o n g We i 摘要 针对置于海中的海水淡化装置 设计了基于 Z i g B e e 协议的无线监控系统 监控 系统的节点包括 网络协调器节点 数据采集终端节点 和便携式报警器节点 系统将各个数据采集终端组成测量 网络 实现 Z i g B e e无线组网 通过 Z i g B e e网络协调器与工作人员手中的便 携式报警器通信 从而构建一个基于 Z i g B e e的无线监控系统 实现对多种信号的监控 保证各个海水淡化装置的正常运行 关键词 海水淡化Z i g B e e 嵌入 式系统 Ab s t r a ct Th e wir e le s s mo nit o r in g s y s t e m ba s e d o n Zig Be e p r o t o co l is de s ig ne d wh ich is a ime d t O t h e s e a wa t e r de s a lina t io n d e v ice s p la ce d in t h e s e a Th e n o d e s o f t h e mo n it o r in g s y s t e m co n t a in t h e n o de f o r da t a co lle ct io n t e r mina l t h e n o d e f o r n e t wo r k co o r d in a t o r a n d t h e n o d e for p o r t a ble a la r m d e v ice The s y s t e m a s s e mble d t h e v a r io us d a t a co lle ct io n t e r min a ls int o a s mxe y n e t wo r k t o a ch ie v e t h e wir e le s s n et wo r k ba s e d O n Zig Be e W it h t he co mmun ica t io n b e t we e n t he Zig Be e ne t wo r k co o r d ina t o r a nd t he po r t a b le a la r m d e v ice o f t he pe r s o na l a wir e le s s mo n it o r in g s y s t e m b a s e d o n Zig Be e is f o r me d which is a b le t o mo n it o r t h e v a r io us t y pe s o f s ig na ls f u r t h e r mo r e t o in s ur e e a ch s e a wa t e r d e s a lin a t io n d e v ice o pe r at ing p r o p e r ly Ke ywor ds s e a wa t e r d e s a lin a t io n Zig Be e e mbe d d e d s y s t e m 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 1 0 0 5 1 0 3 1 引言 海水淡化技术经过半个多世纪的发展 从技术上讲 已经比较 成熟 大规模地把海水变成淡水 已经在世界各地 出现 但是大规 模建厂投资大 耗能高 对于解 决人烟稀 少的偏远 海岛等地 的缺水 问题 并不适 合 所 以需要投资小 耗能低 的系统 随着反渗透海 水淡化技术的进展 特别是预处理技术的发展 使得将淡化 系统置 于海 中成为可能 L P C U L o w P o w e r C o n s u m p t i o n U n d e r s e a 海水淡化装置 直接 将反渗透法应用 于海水之中 使得从密闭容器内抽取的淡水经处 理可直接被饮用 相 当于在大海中设 置了一 口淡水井 简化 了大量 工序 大大降低能耗 结构简单 易实施推广 实现上述 系统的技术方案是 在海中建立一巨大密闭容 器 该 密闭容器大体可分为 4大过滤层 粗过滤层 精密过滤层 预处理 层和反渗透层 液位和水温参数对淡 化装 置正 常工作至关重要 容器 内液位 较高时 应控制抽水泵 向外抽水 两次间隔时间内 液位变化较小 时 可认为此 时流量过小 应停止高压泵工作 工作人员对制水系 统各层膜进行清洗 提高淡化效率 水温过高或过低时 膜工作效 率低下 应停止高压泵工作 待温度正常时重启高压泵工作 因 此 研制海水淡化装置监控系统有着切实的重要意义 2 监控 系统总体设计 在监控 系统 中 受环境和成本等因素的限制 选用 了成本低 功耗低 和网络容量大 的 Z ig B e e 无线组 网方式 系统总体结 构如图 l 所示 Z ig B e e 无线 网络主要 由网络协调器节点 数据采集终端节点 和 便 携 式 报 警 器 节点构成 网络协 调 器 节 点 是 该 网 络 的控制 中心 负 责 网 络 的维 护 和 数据的处理 存储 等任务 该节点包 含 有 Z i g B e e射 频 收 发 模 块 和嵌 入 式控制系统 数据 采 集 终 端 节 点 由 图 1 监控 系统 总体结构 分布在 淡化装置 内的各种传感器与 Z i g B e e无线模块组成 它们根 据监控 区域的要求 以星型拓扑结构构成 Z i g B e e无线 监测 网络 该网络主要负责淡化装置 内数 据的采集 并将数据通过 Z i g B e e网 络上传到网络协调器 节点 再 由网络协调器节点将数 据显示并存 储 将 重要信 息和故 障信息 传到工作人 员手 中的便携 式报警器 中 便 携式报警器 节点 由 Z i g B e e 射 频收发模 块和嵌入 式系统组 成 用于显示 和预报重要信息和故障信息 同时可 以通过网络协调 器节点控制数据 采集终端采集实时数据 本系统采用一种定时自报式和应答式相混合的数据传输方 式 系统工 作时 网络协调器节点一直处 于上电运行状态 它监 听 和处理数据采集终端 和便携式报警器双 向的数据 一方面 数据 采集终端节点以定时 自报 的方式 进行数据 的采集 和传输 另一方 面 当便携式报警器发送采集数据的命令 时 系统工作在应答模式 下 数据采集终端节点根据命令的要求上传 数据 为了实现系统的上述数据传输功能 数据采集终端节点的 电 气自 动 化 2 0 1 0 年 第3 2 卷第1 期 网络通 信 与 控 制 Ne t wo r k Co mmu n ica t io n C o n t r o I Z i g B e e 接收器一直处于工作状态 随时接收便携式报警器通过网 络协调器发送来的数据采集命令 该节点的处理器和传感器在没 有任务的时候处 于睡眠状态 只有在接受 到采集命令或定时到达 时 才唤醒工作 这样可 以节省数据采集节点工作时的能耗 各数 据采集终端和网络协调器根据监控要求 安装在指定地点 以无人 值守方式工作 3 监控 系统硬件设计 3 1 网络协调器设计方案 根据实际应用的需求 网络协调器采用体积小 性能强 功耗 低和可靠性高的嵌入式系统 系统硬件电路部分主要包括核心控 制模块 Z ig B e e 通讯模块 R S 2 3 2通讯模块 U S B通讯模块 显示 及触摸屏模块 电源模块 J T A G接 口等 7部分 具体如图 2所示 图 2系统硬件 结构图 3 1 1 A R M 核心模块 本系统采用三星公 司 3 C 2 4 4 0芯片作为处理器 利用 三星公 司的 K 9 F 1 2 0 8芯片作为程序及数据 的存储芯片 用两片 日本现代 公 司的 H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0作 S D R A M 3 C 2 4 4 0芯片具有以下特点 I 1 含有 MM U 支持 L i n u x Wi n C E E P O C 3 2等操作系统 2 含有 lG字节的地址空 间 3 主频可达 4 0 0 M H Z 4 3 个通用异步收发器 U A R T 5 L C D控制单元和触摸屏接 口 综合以上诸多因素 该处理器完全可以满足嵌入式网络协调 器的要求 含有 L C D控制器和触摸屏接 口 方便 了人机界 面的设 计 含有 MM U单元 可 以移植 L i n u x 操作系统 保证了控制器的高 效性和稳定性 K 9 F 1 2 0 8 fla s h 有 6 4 M字节 的存储容量 支持快速读写 读取每 字节数据 时间 只需 1 2 s 写入 时间是 2 0 0 s t 该芯片里固化了 L in u x的 B o o t l o a d e r 系统 内核 文件系统 应用程序以及环境变量和 系统配置文件等 H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0是 3 2 M的 S D R A M 利用两片芯片 使本系统具有6 4 M的S D R A M 作为内存单元供系统运行时使用 3 1 2 Z i g b e e通讯模块 电路设计 射频芯片采用挪威半导体公司C h i p co n C o r p 推出的 C C 2 4 2 0 它是全球首颗符合 I E E E 8 0 2 1 5 4 Z i g B e e 联盟标准的 2 4 G H z 有源 射频芯片 为了保持和 Z i g B e e 标准一致 C C 2 4 2 0支持 2 5 0 k b p s 数据 传输率 该芯片具有完全集成的压控振荡器 只需非常少的外围电 路就能在 2 4 G H z 频段上工作 C C 2 4 2 0只提供一个 S P I 接 口与微处 理器连接 通过这个接口完成设置和收发数据两方面的任务 S P I 总线技术 是 Mo t o r o l a公司推 出的一 种同步 串行接 口 1 3 C 2 4 4 0 通过4 线简单 S P I 接 口对 C C 2 4 2 0 的内部寄存器进行相关操 作 从而完成对 C C 2 4 2 0 的控制及数据 的传输通信 3 C 2 4 4 0 为主机 5 2 l E l e c t r ic a J Au t o ma t io n C C 2 4 2 0 为从机 C C 2 4 2 0 与 3 C 2 4 4 0 的接 口原理如图3 所示 3 1 3 其他模块的设计 本系 统的 R S 一 2 3 2接 口主要 有 i 要 璧 系 譬 l l l 时 控 制 器 与 P c机 的 通 讯 2 与 具 一 I 4 一 有 R S 一 2 3 2 接 口的设备进行通讯 驱动芯片采用 m a x 3 2 3 2 芯 片 扩 展了一路 四线 R S 一 2 3 2接口 U S B接 口主要用于与具有 U S B接 口的设备进行通讯 显 示器 以及 触 摸屏 的设 计 主要 方便 用户 查看 处理 数据 3 C 2 4 4 0内部 自带 L C D控制器 支持多种类 型的彩色 L C D 如 S T N T F T等 扩展起来很方便 电源是 系统正常稳定工作的基础 电源的设计必须考虑如下 因素 输入电压和电流 输出电压 电流和功率 电磁兼容和电磁干 扰 输 出纹波等 在本系统中 共存在 4种电压等级 3 3 V 1 8 V 1 2 5 V 和 5 V J T A G接 口主要用于芯片内部测试及对系统进行仿 真 调试 3 2 数据采集终端设计 方案 数据采集终端主要功能在于接收服务器指令 测试通信状态 控制执行单元工作以及采集传感器数据然后对所采集数据进行分 析处理 再将有效数据发送至网络协调器 图 4为数据采集终端系 统结构框图 海水淡化装置出现故障或容器内水较满时 数据采集终端可 控制相应执行单元进行处理 主要有如下情况 1 液位达到较满设定值时 控制抽水泵 向外抽水 2 流量过小时 停止高压泵工作 工作人员对制水系统各层膜 进行清洗 3 水温超出设定值时 膜工作效率低下 停止高压泵工作 待 温度正常时重启高压泵工作 为实现以上功能 选用 C C 2 4 3 0芯片作为处理器 C C 2 4 3 0芯 片延用了以往 C C 2 4 2 0芯片的架构 在单个芯片上整合了 Z i g B e e 射频前端 内存和微控制器 它使用 1 个 8 位 M C U 8 0 5 1 具有 1 2 8 K B可 编程 闪存 和 8 K B的 R A M 还包 含 模 拟 数 字 转 换器 A D C 几个定时器 A E S 一1 2 8 协 同处理器 看门狗定时器 3 2 k H z 晶振的休眠模式定时器 上电复位电路 掉电检测电路 以及 2 1 个 可编程 I O引脚 C C 2 4 3 0芯片的选用 既可以实现 Z i g b e e 通信 又可 以控制执行单元 3 3 便携式报警器设计方案 便携式报 警器 采用 同网络协调器 同样 的核心控制模块 Z i g b e e 通讯模块 显示及触摸屏模块 电源模块和J T A G接口 同网络 协调器相比 报警器取消 了 R S 一 2 3 2 通讯模块和 U S B通讯模块 增 加了扬声器 目的是实现其便携性和报警功能 4 网络协调器软件设计 I Jin u x 是一套免费的3 2位操作系统 运行方式同 U N I X系统 很像 但 I J i n u x 系统的稳定性 多工能力与网络功能已是许多商业 操作系统无法比拟的 与其它几种常用开源嵌入式操作系统相 比 L i n u x具有功能强大 可裁剪性好 功能易扩展等优点 结合监 控系统的功能要求 和后 期开发的需要 本 系统 软件 部分基 于 L i n u x 操 作系统设计 软件设计 的首要任 务是按功能和逻辑把软 C C 24 3 0 图 4系统结构框图 网络 通 信 与控 制 电 气自 动 化 2 o i0 年 第3 2 卷第1 期 Ne t wo r k C omm u ni c a t i on Co n t r o l 件分割成一个个独立的模块 单独加 以实现 最后通过 A P I 接 口把 模块组装起来 网络协调器软件框图如图 5 所 示 本设计把软件分为三层 硬件层 系统 服务 层和应用 层 硬件 层实现对硬件的驱动 定义了硬件的寄存器映射 简化系统平台移 植 系统服务层建立在 L in u 实时操作系统上 包 括实时内核 通 信服务等部分 在这 个层次 中除 了实现操作 系统如任务调度 时间 管理 消息队列和信号量等内核 服务 外 还将完成 Z ig B e e 协议层 的实现 应用层建立在以上几层 结构之上 由用户根据具体应用 的需要定义不同的任务 利用系统服务层提供 的接 口 实现网络的 管理和数据传输等任务 本系统软件平台的构建在考虑具备通用功能的同时 着重考 虑 了系统 的可移植性 和可升级 性 软件选用 L in u x嵌入式实时操 作系统 主要用 于建立和管理各个模块的任务 完成 多任务之 问的 调度和 同步 并为硬件 驱动 和系统 服务程 序提供服务 它能够更 合理 有效地利用 C P U的资 源 简化应用软件 的设计 并 为系统各 模块软件设计提供一个可靠性高 实时性好 具 备 良好可扩展性 和 可移植性的平台 5结语 本 系统 目前仍是 个实验装 置 许多问题仍在探讨之 中 系统 将得到不断优化 完善和进一 步实验 有望给 出更好 的性能 并可 以实现产业化 参考文献 f 1 李福 进 一种低功耗海水淡化 装置 中国 2 0 0 8 2 0 0 7 6 2 9 3 1 P 2 0 0 8 1 2一 lO 2 S a ms u n g C o r p o r a t io n 3 C 2 4 4 0 A Micr o P r o ce s s o r U s e r S Ma n u a 1 W W W s a I 应用程序 j l z ig B e e 协议栈 j l L in u x 操作系统 驱 动 程 序 回团回回回回 n n n H n n l 硬 件 图 5 网络协调器软件框图 ms u n g co rn 2 0 0 4 7 3 S A MS U N G E l e ct r o n i cs C O L T D K 9 f 1 2 0 8 D a t a s h e e t W W W s a m s u n g e o r lt 2 0 01 4 慕春棣 嵌入式系统的构建 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 4 2 8 作者简介 李福进 1 9 5 7一 男 教授 博士 硕士 生导 师 主要研 究方向 为控 制理论 与控 制 工程 传 感技 术 与智 能仪 器 高等教 育 管理 熊 伟 1 9 8 0一 男 硕士 主要从 事电子技 术 信息技术 自动控制 检 测与控 制技 术及 智能装置方面的研 究 上接第3 7 页 卜 调制波的周期 一系统工作频率 经锁相环控制 寄存器 P L L C R 5 倍频 及高速外设时钟寄存器 H S P C L K 2 分频的设 置 确定系统工作时钟频率 7 5 M 3 3程 序编 写 综上 S P WM产生原理 及其算法分 析 具体编程思想及部分源 程序代码如下 程序主要 由主程序 和定时器 下溢 中断子程序组成 主程序是 个无限循环结 构 主程序 的主要工作是系统 的初始化 循环结构 之前的语 句只运行一遍 系统流程 图及 主程序如下 l n i t S y s C t r l 初始 化 DS P内核寄存器 DI NT I ER 0 x 0 00 0 I F R 0 x 0 0 0 0 E A I I O W 允许更改保护的寄存器 G p i o Mu x R e g s G P A MU X a l l 0 x 0 0 F F E VA P WM 1 6引脚 EDI S I n i t P i e C t r l 初始化 P I E控制 寄存器 l n i t P i e V e ct T a b l e 初始化 P I E矢量表 E AI L OW P ie Ve ct Ta b le TI U EI NT e v a T1 UFI NT 3S R E D1 S I ERl M I N T 2 开中断2 P i e C t r 1 P I E I E R 2 b i t I N T x 6 1 开下益 中断 l n i t E E V A寄存器的初始化 wh ilef n NXl q n 0 7 5 为消除偶次偕波 减少谐波角度 出发 选择 从 q q 2 P I A相3 4 周期进 行采样 q 1 0 0 s in q 1 E v a R e g s T I P R 1 M i 计算 占空 比表达式 a n E v a R e g s T 1 P