基于ZigBee技術的大壩安全監測系統設計

王秀麗

（山西大學工程學院，山西 太原030013）

0 引言

ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。由于該項技術可以顯著地降低施工成本，減少對原有建筑的破壞,且能極大地降低維護成本，便于現場設備的更新升級等優點，這使得它在自動化檢測和控制領域得到了非常廣泛的應用[1-2]。這里主要講述了將ZigBee技術應用于大壩安全檢測系統中的硬件部分的電路設計。

1 系統方案設計

以往的大壩安全監測系統一般采用分布式控制模式，監測系統各監測點和中心控制站間采用有線方式連接，這種連接方式的搭建工作量大、投資大，且其監測點的調整、維護不方便。本文是在此基礎上提出的一種基于 ZigBee 技術的無線大壩安全監測系統，其主要由3部分組成，即數據采集模塊、ZigBee傳輸網關和上位機軟件。ZigBee傳輸網關接收采集模塊發送過來的數據，然后通過 Uart傳輸給上位機軟件，上位機軟件對采集到的數據進行處理、分析、存儲管理及進行評估等。圖1是系統的總體框圖。

2 硬件電路設計

系統的硬件設計包含采集模塊及ZigBee無線傳輸模塊，由于在大壩安全監測中采集模塊需要根據現場情況而定，因此這里主要側重于ZigBee無線傳輸模塊的硬件電路設計。

這里采用了英國Jennic公司生產的JN5139ZigBee模塊進行了硬件電路的設計，主要包括DC-DC電源設計、Uart通訊電路設計，編程電路設計及看門狗電路設計。圖2所示的是整個硬件電路的示意圖，圖中RS485為通訊電路，串口為RS232，2.4 G天線起接收數據和發送數據的作用。電源電壓為3.3 V，它是將輸入的5～12 V降壓后得到的，為本電路所有的芯片供電。看門狗電路主要由CPU使用一個I/O口線來進行定時初始化，如果 CPU由于干擾導致程序跑飛，CPU自動復位，將重新初始化所有外圍電路。通訊電路分為RS232串口和RS485兩種電路，當需要中距離通訊時使用RS485進行和上位機通訊，CPU主要完成外圍電路的初始化和進行收發數據的控制，及傳感器信號的采集。JN5139的主要作用是組成無線局域網絡，通過無線Zigbee技術實現通訊功能。

圖1 系統框圖

圖2 硬件電路示意

2.1 JN5139模塊介紹

JN5139模塊是一個可以讓使用者在最短的時間內在最低的成本下實現IEEE802.15.或ZigBee兼容系統的表貼模塊。利用此模塊可以大大減少對于 RF板設計和測試框架的昂貴的費用和漫長的開發時間。而且此模塊提供了開發無線傳感器網絡所需要的豐富的外圍器件[3]。這里主要用到了Uart通訊接口和幾個GPIO端口。

2.2 硬件電路原理圖設計

2.2.1 DC-DC電源設計

由于JN5139模塊采用3.3 V直流電壓進行供電，在收發數據時，電流可達70 mA左右，因此設計過程中選擇了AS1117-3.3電源轉換芯片，圖3是直流5～3.3 V的電源轉換電路。

2.2.2 看門狗電路設計

看門狗，又叫 watchdog timer，是一個定時器電路，它的作用是防止程序無限制的運行，造成死循環，它可以用在接收和發送數據時對于接受和發送超時的處理，起到保護數據，保護電路的作用。由于 JN5139模塊內部沒有看門狗，為了保證程序不跑飛，防止整個系統癱瘓，特在模塊定時器端口設計了一個看門狗觸發電路，如圖 4所示，圖中的DIO10/EIMO OUT端連接JN5139模塊的22引腳。

圖3 直流5～3.3 V 電源轉換電路

圖4 看門狗觸發電路

2.2.3 JN5139編程電路設計

JN5139模塊使用了SPI接口的Flash芯片保存應用程序，在模塊進行上電時，需要一個編程鍵使得模塊進入到編程模式，才可以下載程序，圖5是編程電路設計[4]。

圖5 JN5139編程電路

2.2.4 Uart通訊電路設計

為了和上位機進行數據通訊，設計了Uart電平轉換電路（Uart，Universal asynchronous receiver transmitter），是一種通用異步接收/發送裝置，用于異步通信。使用的芯片是MAX3232C,此芯片是低功耗芯片，共有16個引腳，電源供電3～5 V，在這里采用了3.3 V進行供電，圖6是Uart的通訊電路。

圖6 Uart通訊電路

2.3 硬件電路實物

圖7是設計后的硬件電路板實物圖，將其與相應的配套軟件一起應用于大壩安全檢測系統后，通過現場實際驗證，該電路設計有效，可以完成預期的需求，真正形成了無線傳感器網絡，實現了數據的無線雙向傳輸。

圖7 硬件電路實物

3 結語

大壩安全監測系統是大壩設計的重要組成部分，是一項特殊的工程，其質量的好壞直接關系到水電站大壩安全運行。采用具有近距離、低功耗、低速率等特點的 ZigBee技術，并將其應用于大壩安全監測系統中，經研究設計并在現場多次測試后證明，基于 ZigBee技術的網絡型無線傳輸系統可以取得比較好的效果，具有非常廣闊的應用前景，可以提升大壩安全的監測水平[5]。

[1] 于國虎.基于ZigBee技術的邊境管控系統關鍵技術研究[J].昆明理工大學學報，2008(08):4-6.

[2] 劉任，劉莉娜.基于ZigBee技術的工業無線溫度變送器的設計和實現[J].通信技術，2009,42(06):188.

[3] 百度百科. JN5139[EB/OL].（2010-04-12）[2011-01-12].http://baike.baidu.com/view/3158859.htm.

[4] NXP.ZigBee Control Your World[EB/OL].（2010-04-12）[2011-07-11].http://www.jennic.com/support/zigbee/.

[5] 茍爭旭，周淵平.基于GSM和ZigBee的遠程無線數據采集系統[J].通信技術，2011,44(08):71-72.