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标题 基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统的研究
范文

    简讯+陈建云

    

    

    

    摘要:自20世纪70年代以来,自动化监控技术在泵站工程中得到应用研究开始,经过近50年科学技术的飞速发展,其设计水平不断提高,应用范围也不断扩大。现今,泵站自动化监控系统已初具规模,并朝着高度智能化、集成化的方向发展。集监测、控制、保护、管理于一体的泵站自动化监控系统的应用。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线传感技术,它适合于数据量比较小、不方便长距离现场的一种布线、不便频繁的更换电池、充电的泵站自动化监控系统中。该文的研究有利于提高信息获取的速度和精度,便于及时准确的预报、决策和优化速度。具体可以提高三个方面:节省了有线敷设的材料和工时;改善工作环境;智能化。

    关键词:泵站;自动化监控系统;ZigBee

    中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)14-0053-03

    近些年来,随着国民经济的发展和科学技术水平的进步,我国水利信息化建设正在逐步的进步,泵站信息自动化技术也有了突飞迅猛的进步。ZigBee技术不仅在智能家居上得到了广泛的应用,还在农业监控控制领域得到了应用,例如农业精准、无人值守等方面,但是这些研究或科研大多是在高校或者科研研究所中研究,并没有真正的用在实际中。通过ZigBee技术的方式传递数据是一种比较理想的选择,ZigBee技术是一种无线通信技术,无线与有线相比具有:成本低、通信距离远、不易老化、没有凿墙钻孔布线的烦恼等优点。本文所研究的是基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统,具有价格低廉,操作方便简单,易学易懂,且性能稳定的ZigBee技术的泵站自动化监控系统,有较好的应用前景和实际中的应用。

    1系统架构

    ZigBee网络拓扑选型:ZigBee网络拓扑结构支持3种功能设备,分别为协调器、路由器、以及终端设备。ZigBee技术有指定一个标准:物理层、MAC层、网络层及应用层(APL)。IEEE802.15.4仅是处理低级的MAC层(控制层)和物理层协议,ZigBee协议不仅能处理1EEE802.15.4,还能处理比较高级的网络层协议和APL层(应用层)协议。ZigBee标准协议框架结构如图1所示。

    根据实际的应用需要,ZigBee网络可以构成三种拓扑结构:星型网络拓扑结构、网状网络拓扑结构以及树状网络拓扑结构。本文是采用网状网络拓扑结构构成泵站自动化监控统。如图2所示。

    系统分为两个部分:监控中心和控制区域。系统的整体架构如图3所不。

    监控中心:上位机和汇聚节点安装在监控中心。汇聚节点和控制区域内的采集控制节点上传的数据转发给上位机;上位机具体显示采集信息,实现触屏控制和屏幕点击控制。把上位机发送的电磁阀控制指令,转发给相应的采集控制节点。汇聚节点和上位机通过RS-232串口进行有线通信。为了保证通信可靠,无线通信技术采用了网状网络拓扑结构进行了组网。

    控制区域:控制区域例如实验室根据实际需要,被控制的地方,需要脉冲电磁阀、空气温湿度传感器等各元器件。通过采集节点的数据,然后将数据上传给上位机;上位机接受数据之后,就发送命令给脉冲电磁阀,以此来控制电磁阀的开启和关闭。以达到泵站自动化监控目的。

    2系统硬件设计

    根据总体的设计要求,采集控制节点的功能是:采集通过模拟信号处理器所处理的传感器的数据。ZigBee模块通过一系列传输和发送,以此控制脉冲电磁阀的开启和关闭,系统ZigBee节点硬件系统框图如图4所示。

    以ZigBee模块为中心,ZigBee模块通过模拟信号处理电路,将数据传输给传感器;另一方面,ZigBee模块通过输出控制电路,来控制脉冲电磁阀的开启和关闭。电源通过电源处理电路,把外部电源转换为适合于ZigBee模块各节点上不同元器件所需要的电压。RS232通讯接口电路用于ZigBee模块和PC机,将进行串口通信。

    3系统软件设计

    3.1 ZigBee无线网络之间通信协议的设计

    在本系统的ZigBee无线传感器网络中,汇聚节点和采集控制节点之间采用MSG信息帧进行节点之间的通信。函数申明如此:

    3.2通讯协议设计—汇聚节点和上位机

    本文考虑到开发产品具有通用性,便于查询,本系统选择公司提供的通信協议。串口通信选择使用Modbus RTU协议。

    Modbus通信数据帧:Modbus串行链路协议是一个主从协议。有两种通讯模式可以使用即ASCII和RTU通讯模式,本文选用RTU串行通讯模式,Modbus RTU信息帧结构如表1所示:

    地址码:地址码是信息帧的第一字节(8位),数据范围从0到255。

    功能码:主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。

    数据区:由从机采集的返送信息和需要从机执行什么动作。

    错误校验码:用校验码接收信息是否出错。

    4系统的调试与分析

    4.1节点编号设置

    硬件、软件设计完成后,对系统的整体功能进行调试,然后再对节点进行程序下载。程序下载之后,要对每个采集控制节点设置编号,方便上位机通过编号来具体显示采集信息,实现触屏控制和屏幕点击控制,进而为了方便上位机通过编号对其进行访问。波特率修改如图5所示。编号设置界面如图6所示。

    系统工作时,节点和上位机也是通过RS232串口连接,串口参数配置和图5一样。

    4.2系统网络通讯测试

    波特率和超级终端匹配好之后,需要进行网络通讯测试。上位机使用Modbus Poll进行测试。Modbus Poll界面如图7所示。

    如图8所示,L1显示黄灯,L2显示绿灯,L3显示红灯,则表示系统通讯成功。从而能准确的预报和决策泵站的液位信息的显示。

    5总结与展望

    本文的研究,不仅有利于提高信息获取的速度和精度,便于及时准确的预报、决策和优化速度。具体可以提高三个方面:节省了有线敷设的材料和工时;改善工作环境;智能化;还能够监测泵站水位、扬程等实验室的工作环境,为精准农业调控提供了科学的依据。本文对无线传感器和网络协议技术分析的基础上,提出了基于ZigBee技术的泵站自动化监控系统的研究。由于我的知识面的限制和实践经验不足,所研究的这套系统还有一些不足之处,需进一步完善的工作如下:第一,在规模比较大的网络节点同时工作过程中,网络数据传输的时延长,在网络节点多时,这在一定程度上影响了控制命令的立即响应;第二,系统在调试时,有时会有一些信号的干扰,这样就会造成误码,在一定程度上影响了系统的稳定性。

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更新时间:2025/3/16 15:47:57