基于ZigBee的排水泵监测系统设计

宋海强，董锦旗，李 岩

（1. 天津机电职业技术学院，天津 300350；2. 天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181）

基于ZigBee的排水泵监测系统设计

宋海强1，董锦旗1，李 岩2

（1. 天津机电职业技术学院，天津 300350；2. 天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181）

排水泵站担负着城市日常污水排放和汛期排涝的重任，对其运行工况进行实时监控势在必行。针对当前排水泵监测系统布线繁琐、维护困难及成本高的现状，设计一种基于 ZigBee 无线传感器网络的排水泵监测系统，该系统主要由计算机和协调器组成。基于 Z-Stack 编写应用程序，根据监测要求设计协调器、路由器及 5 种终端节点的硬件。实验结果表明：设计的无线传感器网络监测系统运行稳定可靠，能够满足现场泵站监测要求，可作为排水泵监测的一种低成本解决方案。

水泵监测；无线传感器网络；ZigBee；CC2530 节点

0 引言

排水泵站担负着城市日常污水排放和汛期排涝的重任，特别是降雨频繁的城市，排水泵站显得尤为重要。以京津冀地区为例，该地区地处海滦河流域中下游，面积为 1.99×105km2，降雨主要集中在汛期的 7—8月，多年平均年降水量在 550 mm 左右[1]。近年来频发暴雨预警，特别是 2012 和 2016年，连发多次暴雨橙色预警，局部地区发布暴雨红色预警。积水不能及时排除会给城市交通造成极大影响，甚至形成内涝灾害，灾害发生时，交通受阻，房屋进水，严重影响了市民的生活与安全[2]。仅2016年 7月下旬，京津两市辖区数百座排水泵站全部开启，向凉水河、清河、独流减河、海河、永定新河等行洪河道排水。鉴于排水泵站的重要性，对泵站运行工况进行实时监控势在必行。

当前大多数水泵监测系统采用的是有线方式，即各传感器通过电缆与控制器连接，大多以 PLC 为核心构建各现地监控单元，这种监测方式存在布置电缆繁琐、维护困难等缺点。

ZigBee 技术是一种短距离、低功耗、低成本的无线网络通信技术。ZigBee 模块具备中继路由和终端设备功能。其中协调器是整个网络的核心，负责启动建立网络，接收并处理各个采集节点的数据，每个协调器可连接多达 255 个节点；路由器主要负责找寻、建立路由信息；终端设备支持自组网，自恢复能力强，并可以接收和发送网络报文[3]。目前，ZigBee 技术已广泛应用于智能家居、智慧能源、环境监测等领域。经过研究，基于 ZigBee 技术，开发了一种排水泵监测系统。

1 系统整体设计

排水泵监测系统应用于排水泵运行参数的监测，主要由上位机、协调器节点、终端采集节点和路由器 4 部分组成。由终端节点采集排水泵相关运行数据并经路由器上送到协调器，再由协调器节点通过串口实现与上位机的通信，进行实时监控。在排水泵站监测中，由于各个监测对象布置分散、间隔较远，且 ZigBee 的传输距离容易受到障碍物的影响，因此，各终端设备需要经路由器才能将数据可靠地发送至协调器内。路由器负责延长无线传输的距离。上位机监测软件采用 VC++ 编写，监测软件通过串口与协调器进行通信。

表征泵站运行工况的重要参数有水泵电压、电流、出口压力、电动机温度、泵站水位、排水量等。为此，排水泵站数据采集节点安放在泵站现场，对以上几类数据进行多点采集，泵站监测系统结构如图 1 所示。采集节点主要有压力、水位、温度、电力参数及流量等节点。

图 1 排水泵站监测系统结构图

2 节点硬件设计

本无线传感器网络系统包含协调器、路由器及终端节点 3 类节点。3 类节点均采用目前主流的ZigBee 芯片 CC2530，CC2530 是用于 ZigBee 应用的一个真正的片上系统解决方案，能够以很低的成本建立强大的网络节点[4]。为便于本系统的应用开发，直接选用市场上性能稳定的 ZigBee 射频模块，其优点在于该类模块已将全部 IO 口引出供用户使用，只需在此基础上开发 3 类节点的应用功能即可。

2.1 协调器、路由器设计

协调器节点是整个 ZigBee 网络的核心，所有数据最终都返回到协调器，除了 ZigBee 射频模块，还包括串行接口及电源转换等模块。由于协调器节点与上位机的通信是通过 RS-232 串口实现的，因此硬件部分需要串口连接器，一般采用 9 针串口，以便将 RS-232 电平转换为 TTL 电平，所选转换芯片为MAX3232E，将 RXD0，TXD0 分别与 9 针串口的第 3 和 2 管脚相连。由于协调器放置在监控上位机附近，所以，电源转换电路可选用 5 V 的 AC/DC 电源适配器，由 220 V 市电提供，再经电源转换芯片输出 3.0 V 电压，保证 CC2530 的 2.0～3.6 V 工作电压供给。

路由器和协调器节点硬件组成类似，所实现的功能差异主要由 ZigBee 协议定义和区分。对于路由器数量，由于使用情况受到现场环境影响，需根据传输距离及监测节点多少而定。路由器设置主要遵循以下原则：

1）网络结构的适应性。ZigBee 网络根据应用需要可以组织成星型、簇状及复杂的网状网络 3 种拓扑结构。星型拓扑结构的所有通信都要经过协调器支配，网络结构简单，网络中的路由器是没有路由作用的；簇状网络由多个简单的星型网络组成，可以实现网络的路由转发功能，适合点对多点、距离相对近的应用。综合考虑，选择具备组成簇状网络功能的路由器，且一级路由器即可实现该组网应用。

2）传输距离要求。在该监测网络中，由于现场监测设备布置比较分散，而且部分监测节点与协调器之间存在障碍物遮挡，因此，需要通过路由转发功能扩大网络的通信范围。

2.2 温度采集节点设计

温度传感器采用 K 型热电偶。转换芯片采用MAX6674，可以进行冷端温度补偿，并将 K 型热电偶信号转换成数字信号，可测量从 0～127.8 ℃ 的热电偶温度，可以满足水泵电动机温度的测量要求。数据输出为 10 位分辨率、SPI 兼容、只读格式[5]。MAX6674 提供完备的硬件解决方案，除了 1 个旁路电容，无需任何外部元件。每片 MAX6674 通过 SPI总线与 CC2530 连接[6]。电动机温度测量电路原理图如图 2 所示。

图 2 温度测量电路原理图

2.3 水位、压力采集节点设计

由于所选用的水位计和水泵出口压力传感器均是 4～20 mA 电流输出型，因此设计了转换电路，通过精密电阻将其转换为电压信号，然后进行 A/D 转换，工程量转换环节由传感器信号采集程序实现。CC2530 内部集成了模数变换器（ADC）功能，可根据需要配置为 7～12 位的分辨率，能够满足 AD 转换要求。此外，由于水位计需要 DC 24 V 供电，特将本节点也设计为 DC 24 V 供电，好处在于不必再去考虑节点的低功耗设计。考虑到 CC2530 需要 2.0～3.6 V 供电，只需加入 DC-DC 降压芯片即可。

2.4 电力参数、流量采集节点设计

电流、电压的测量采用智能电表完成，排水量选用超声波流量计采集，由于二者均具有 RS-485 通讯接口，且都支持 Modbus 通讯协议，因此，设计了可采集 RS-485 信号的通用终端采集节点。为实现CC2530 和该类仪表的通讯，将 CC2530 的一个串行通信接口转化为 RS-485 通讯接口，编写相应的通讯程序，实现对电力参数及流量值的数据读取操作。

各类终端采集节点所用到的传感器、信号类型及接口/采样方式等详细信息如表 1 示。

表 1 各类终端采集节点监测参数

3 Z-Stack 程序设计

Z-Stack 是含有 ZigBee 协议的嵌入式操作系统。Z-Stack 已经编写了从 MAC 层到 ZigBee 设备应用层之间的任务处理函数，一般情况下不需修改这些函数，只需按照实际需要编写应用层的任务及事件处理函数[7]。协调器与终端节点的应用层程序功能如图 3 所示。

图 3 系统应用层程序框架

由于 Modbus-RTU 协议在工业监控领域内应用较广，而且协议的实现及应用都十分简单，因此协调器采用该协议与上位机进行通讯。协调器建立网络后，各终端节点即可加入网络，并发送绑定请求到协调器，绑定成功后便可周期性采集数据并发送至协调器中。各终端采集模块的主要程序流程如图 4所示。

图 4 终端采集模块程序流程图

上位机监测软件采用 VC++ 编写，主要编写了与 Modbus-RTU 协议设备通讯的程序，因此可与协调器进行通讯[8]。监测软件主要有参数显示、趋势曲线、报警、数据储存、报表和查询等功能。

4 系统试验和结论

排水泵监测系统在某排水泵站进行了大量实地试验，鉴于 CC2530 片上 AD 转换器的精度限制，温度、水位、压力的采集周期定为 3 s，电力参数、流量的采集周期定为 2 s。试验过程中，将各 ZigBee 设备放置在水泵监测现场，部分需要放置在厂房外的设备由于受到厂房墙壁的影响，房屋外的采集设备无法将数据正常发送到协调器内，因此需在合适位置放置 1 个路由器。同时，为了避免监控室（放置有上位机）墙壁的影响，将协调器放在监控室外，通过 RS-232 与上位机连接。经过数小时的连续实验，结果表明：数据能够正常发送到上位机内，传输过程丢包现象极少，丢包率 ＜ 0.1%。通过上位机随机采集了 100 组数据，每组数据均在 5 s 内全部发送至上位机。特点，具有广阔的应用前景。如果采用精度更高的传感器、外置分辨率更好的 AD 转换器，可以提高采集精度。

5 结语

排水泵监测系统利用 ZigBee 组成无线传感器网络对排水泵站运行工况进行监测。实验结果显示：通过节点、参数的恰当设置，系统能稳定可靠运行，通信质量良好，设计功能能够满足现场泵站监测要求，与传统的基于 PLC 的有线监测方法相比，具有安装容易，使用灵活，成本较低，扩展性好等

[1] 陈天希. 京津冀地区近五百年降水变化规律探讨[J]. 水文，1993，13 (2): 44-48.

[2] 解以扬，韩素芹，由立宏，等. 天津市暴雨内涝灾害风险分析[J]. 气象科学，2004，24 (3): 342-349.

[3] 吕治安. ZigBee 网络原理与应用开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008: 2-6.

[4] 孙利民，李建中，陈渝，等. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005: 1-9.

[5] MAX6674 数据手册[EB/OL]. [2016-10-28]. http://pdf.dzsc. com/667/MAX6674_1124775.pdf.

[6] 蔡向东. 单片机软件模拟 SPI 接口的解决方案[J]. 信息技术，2006，30 (6): 134-135.

[7] Texas Instruments, Inc. Z-Stack User’s Guide-CC2530 [EB/OL]. [2016-10-28]. https://wenku.baidu.com/view/ d30e39f2f90f76c661371ad9. html.

[8] 唐海龙，李进. Modbus RTU 协议在串口通讯调试中的软件实现[EB/OL]. [2016-10-28]. http://www.paper.edu.cn/ releasepaper/content/200903-487.

Design of drainage pumping monitoring system based on ZigBee

SONG Haiqiang1, DONG Jinqi1, LI Yan2
(1.Tianjin Vocationaland Technical College of Mechanicsand Electricity, Tianjin 300350, China；2. Tianjin Lonwin Tech, Inc. Tianjin 300181, China)

Drainage pumping station is responsible for the city's daily sewageand flood discharge. So it is necessary to monitor the pump running condition in real time. Aimingat the current situation of wiring complexity, maintenance difficultlyand high cost of the drainage pump monitoring systems, it designsa drainage pump monitoring system based on ZigBee technology. The system mainly consists of host computerand coordinator. The Application program is compiled based on Z-Stack,and the coordinator，routersand hardware of five kinds of terminal nodesare designed to satisfy the monitoring requirements. The results show that: the designed wireless sensor network monitoring system is stableand reliable,and meets the monitoring requirements of field pumping station, can be usedasa low-cost solution for drainage pump monitoring.

drainage pump monitoring; wireless sensor network; ZigBee; CC2530 node

TV675

A

1674-9405(2017)02-0038-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.008

2016-11-13

宋海强（1985-），男，河北张家口人，工程师，主要从事水利自动化、信息化等研究和应用工作。