基于ZigBee的自來水監測網絡系統設計與實現

彭連滔，馮錫煒，馮瑤

（遼寧石油化工大學計算機與通信工程學院，遼寧撫順113001）

隨著我國經濟的高速發展，水質的污染和破壞問題日趨嚴重，著眼于社會所需，我們研究了基于ZigBee的水質監測系統，為水質保駕護航。

水質污染問題刻不容緩，城市飲水主要是通過自來水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時監測水質變化的設備系統。論文探討構建基于ZigBee技術的自來水監測網絡物理結構，重點是ZigBee網關轉wifi和轉USB的協議轉換。上位機監控功能中，實現了數據實時接收、顯示以及歷史數據查詢，對超閾值數據，報警提示。

1 物聯網ZigBee技術簡介

ZigBee技術具有自組網，低功耗，延時小，多跳的特點，適用于長時間組網監測。在ZigBee網絡中有3種設備，協調器（Co_ordinator）為全功能節點（FFD），負責建立網絡，一個ZigBee網絡只能有一個協調器，相當于蜂群結構中的蜂后，當網路建立完成后，協調器的功能相當于普通路由器（Router）。路由器負責數據的路由跳轉，能夠將消息發給其他j節點設備。終端節點（End device）負責數據的采集與發送。以上3種設備可以分為全功能節點（FFD）和半功能節點（RFD）[1]。

每個節點具有兩個地址：

1）IEEE MAC地址

這是一種64位的地址，這個地址由IEEE組織進行分配，用于唯一的標識設備，全球沒有任何兩個設備具有相同的MAC地址。在ZigBee網絡中，有時也叫MAC地址為擴展地址。

2）16位短地址

16位短地址用于在本地網絡中標識設備，和在網絡中發送數據，所以如果是處于不同的網絡中有可能具有相同的短地址。當一個節點加入網絡的時候將由它的父節點給它分配短地址，協調器的短地址是0。

ZigBee網路的拓撲結構主要為星狀（star），樹狀（Cluster_tree），網格（mesh），其中星狀網絡不支持ZigBee路由器。不同的網絡拓撲結構適用用于不同的使用環境。

2 系統體系結構

基于ZigBee的水質監測系統可以對水質進行實時的監控，整個系統由下位機監測網和上位機軟件組成，下位機監測網負責數據的采集，和數據在ZigBee網絡上的傳輸。上位機軟件負責對來自監測網數據的存儲，數理統計，水質參數超標實時報警，和設備運行狀況的檢查。系統結構如圖1所示。

3 水質監測網的下位機

下位機部分由一個ZigBee轉WiFi網關或一個ZigBee轉USB基站，2個PH采集節點，一個溫度采集節點組成。

圖1 系統體系結構Fig.1 The architecture of the system

所有節點內嵌ZigBee通訊模塊，在節點的通訊模塊中，燒寫了ZigBee協議棧的移植版，所有節點上電即進行自組網，進行數據的采集和傳輸。通過AT命令來指定協調器，路由器，和終端節點，以及節點的相關參數。當掉電時，能進行參數的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的cortex-M3內核。其具有出色的實時性能、優越的功效、高級的創新型的外設、最大的集成性。CPU工作頻率最高達到72 MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。

ZigBee通信具有通信穩定的優點[2]。增加的無線功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問題，使得節點通信距離可以達到幾千米，最大限度的保證了通信的穩定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節點接收和發送數據的流程圖。

圖3 ZigBee節點發送數據Fig.3 ZigBee nodes send data

在下位機與PC機的銜接部分，筆記本可以用WiFi網關或ZigBee轉USB基站來接收數據，對于臺式機可以直接用ZigBee轉USB基站來接收。

4 水質監測網的上位機

上位機界面采用C#編程，開發工具為vs2012，數據庫為SQL Server。

4.1 W IFI網關接收模式

當啟用WIFI網關[3-4]接受模式時，網絡協議采用TCP，相比UDP穩定[5]，用socket套接字來連接PC機與WIFI網關。

當上位機軟件啟動時，上位機首先創線thwatchport=new Thread（listening）；用來監視，WiFi網關是否與PC機相連，若沒有，則繼續監聽。當連接完成時，軟件創建另一線程threcive=new Thread（autorecive），用于接收WiFi網關發來的數據，并隨時將數據存入數據庫中。

由于第一個線程不斷循環查詢，當WiFi網關斷開，能保證WiFi網關重連時的成功，而不必重啟軟件。保證了系統的容錯率和健壯性。

偽代碼描敘如下：

Begin：IPEndPoint ipendpoint=new IPEndPoint（ip，port）；

welcomesocket=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；

welcomesocket.Bind（ipendpoint）；//綁定IP

welcomesocket.Listen（16）；

thwatchport=new Thread（listening）；//創建監聽線程

thwatchport.Start（）；

listening（）//監聽函數

{try

{Do while（true）

reciveSocket=welcomesocket.Accept（）；//連接

threcive=new Thread（autorecive）；//創建接收線程

threcive.Start（）；

endwhile

}

catch（ex）{print（ex.toString（）；}

}

void autorecive（）//接收函數

{StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

String strtemp=""；

Byte[]byterecieve=new Byte[1024*1024]；ncount=0；

sqloperate=new ServerSQL（）；

do while（true）

{try{

if（reciveSocket==null）break；

ncount=reciveSocket.Receive（byterecieve）；//接收數據到緩存

strtemp=Encoding.Default.GetString（byterecieve，0，ncount）；

strRecive.Append（strtemp）；

{//解析接收到的數據包

//判斷設備狀態，以及水質參數是否超標，如有異常，立即報警//數據存入數據庫

}

}

}catch（ex）//捕獲異常

{ncounterror++；

if ncounterror==5

print（"請檢查網絡連接，網絡已斷開"）；threcive.Abort（）；

endif

}

}endwhile

}

End

運行結果圖：

4.2 ZigBee轉USB模式

對于臺式PC機，用WiFi網關接收模式固然可行，對于ZigBee網關與上位機物理距離較短時，還有另一種接收模式——ZigBee轉USB模模式。只要將USB一端插入臺式機的USB口，當上位機軟開啟時便可以接收數據。

USB接受方式的編程實現，采用的是serialPort控件[6]，直接采用事件觸發的方式。

偽代碼描敘如下：

Begin:

serialPortAccess.DataReceived+=new System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventHandler（autorecive）；//將事件委托函數處理

autorecive（object sender，System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e）

{

sqloperate=new ServerSQL（）；

String readdata=""；

StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

try

{

圖4 無線網絡接收方式監控界面Fig.4 Wireless network receiving modemonitoring interface

readdata=serialPortAccess.ReadExisting（）；//接收數據

strRecive.Append（readdata）；

{

//解析接收到的數據包

//判斷設備狀態，以及水質參數是否超標，如有異常，立即報警

//數據存入數據庫

}

}

catch（Exception ex）print（ex.ToString（））；

}

End

運行結果圖：

圖5 串口接收方式監控界面Fig.5 Serialport receiving modemonitoring interface

線程和事件觸發方式，和定時器定時接收方式相比，能保證數據的隨到隨收，無數據包遺漏現象。

對于數據的處理，可以按時間查詢，并將查詢到的數據進行普通的數理統計，如計算平均數，超標次數，并且能將數據查詢統計結果導出生成Excel文件，方便用戶進一步分析調研。

此外，上位機軟件具有良好的用戶界面，與異常處理，方便用戶操作與使用，接收界面使用動態GIF圖片制作，如圖2，第一個蘋果表示等待連接，第二個蘋果表示已連接成功，正在接收數據，當WIFI網關掉線時，第二個蘋果停止動態顯示，方便用戶動態感覺數據接收正在進行，當數值超標時，或設備電壓不足時，軟件亦能及時彈出報警窗口。

5結論

基于ZigBee的自來水監測網能有效對自來水水質進行實時監測，設計實現了系統的網絡結構，完成了傳感器數據采集、傳輸、查詢顯示以及報警等系統功能。通過網絡傳輸傳感器的數據采用兩種方式：WiFi網關的socket方式和ZigBee轉USB的serialPort方式。兩種方式都能實現數據的實時傳輸的實時接收，基于線程的socket，使用了線程輪轉循環的方式，能有效防止WiFi網關掉線，并提醒用戶。此時接收線程threcieve終止，監聽線程thwatchport依舊循環，等待WiFi網關重新連接。

下一階段工作的重點，圍繞完善系統功能和擴展系統應用展開：

對于下位機網絡，采集節點數目不夠多，參數種類也不夠豐富。在PANID，信道，和數據包一致的情況下，可以不斷加入新的節點，增加下位機網絡的功能。

對于數據傳輸，利用GPRS網[7]，通過GPRS短信直接通知水質超標等情況，亦可以將ZigBee網絡轉為3G或4G網絡[8]，使數據傳輸的方式變得靈活多樣。

在上位機功能部分，豐富數據查詢統計方式，添加系統日志管理，改進異常情況的友好提示等。豐富客戶端的操作平臺，延伸至Web方式，以及基于移動終端的App應用。對于已經采集的數據，可以進行數據挖掘，和大數據運算，研究當地經濟，生活的狀態。

[1] 姜仲，劉但.ZigBee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網技術[M].北京:清華大學出版社，2014.

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[3] 胥嘉佳，許鳴.基于網關的ZigBee和WiFi互通設計[J].電子科技，2014，27（6）:22-25.XU Jia-jia，XU Ming.An interconnection design for Zigbee and WiFi based on gateway[J].Electronic Science and Technology，2014，27（6）:22-25.

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[6] 李江全，鄧紅濤，劉巧，等.Visual C#.NET串口通信及測控應用典型實例[M].北京:電子工業出版社，2012.

[7] 孫學宏，車進，張成.基于GPRS的水利數據采集及遠程監控系統研究[J].安徽農業科學，2009，37（36）:18057-18059.SUN Xue-hong，CHE Jin，ZHANG Cheng.Research on the water conservancy data-collecting and remote n onitor system based on GPRS[J].Journal ofAnhui Agri.Sci，2009，37（36）:18057-18059.

[8] 孫宏志，王學成，劉一萌，等.基于3G無線傳輸的測震臺站監控設備的研制[J].地震工程學報，2014，36（2）:387-392 SUN Hong-zhi，WANG Xue-cheng，LIU Yi-meng，et al.The design and realization of a type of monitoring equipm ent for seismic stations based on 3G wireless data transmission[J].China Earthquake Engineering Journal，2014，36（2）:387-392.