基于ZIGBEE和STM32的農村水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

廣西民族大學 龍凱思 黃開連 韋世勇

?

基于ZIGBEE和STM32的農村水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

廣西民族大學 龍凱思 黃開連 韋世勇

【摘要】水柜是解決農村用水問題的一大保證，為了解決更多農村的用水問題，提高用水的便捷性，保證家家戶戶都能解決用水難的苦惱，研究水柜的監(jiān)控系統(tǒng)是非常有意義的。本文主要通過研究以ZIGBEE為無線傳輸核心、STM32為控制核心以及WINFORM為上位機監(jiān)控中心的水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過ZIGBEE節(jié)點采集水位信息，無線傳輸至ZIGBEE協(xié)調器，協(xié)調器通過串口傳送至STM32，STM32處理信息后顯示以及傳輸至上位機。用戶可以實時監(jiān)控各個水柜節(jié)點的水位、溫度信息，也可以通過上位機或者STM32控制節(jié)點抽水機進行抽水，可以方便快捷地管理每一個節(jié)點的水柜。

【關鍵詞】ZIGBEE；STM32；水柜監(jiān)控

0 前言

近年來，隨著科技的發(fā)展，電子技術行業(yè)的日益發(fā)達，如何將科技帶入農村地區(qū)的供水問題值得我們思考。為了解決農村用水問題的困難，方便村民取水、用水以及節(jié)約水資源，利用電子信息及無線通信技術管理以及監(jiān)控水柜，通過科技的力量取代原先的人工操作，減輕人工取水等繁重的工作，提高工作效率，改善生活質量，從而達到節(jié)約資源和減輕工作負擔的雙贏。

本文主要研究以ZIGBEE為無線傳輸核心的多節(jié)點水柜無線監(jiān)控系統(tǒng)，STM32和上位機組成的人機交互系統(tǒng)。期間解決ZIGBEE無線數據的發(fā)送與接收問題，ZIGBEE與STM32的串口傳輸問題，STM32與上位機的串口傳輸問題。實現(xiàn)上位機、STM32遠程控制水柜節(jié)點。

1 系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)包括水柜節(jié)點、主控模塊以及上位機監(jiān)控中心三個部分。

水柜節(jié)點主要包括ZIGBEE節(jié)點、壓力傳感器、溫度傳感器以及電源和抽水機。每個節(jié)點周期性地采集數據并且發(fā)送所采集到的數據至協(xié)調器，實現(xiàn)水位的實時監(jiān)控，并且能夠在最短的時間內響應協(xié)調器發(fā)送的指令，實現(xiàn)抽水機的運行與停止。

主控模塊部分由ZIGBEE協(xié)調器和STM32構成。協(xié)調器主要工作是創(chuàng)建一個ZIGBEE網絡，允許節(jié)點入網，接收各個節(jié)點發(fā)送來的信息以及發(fā)送指令控制節(jié)點。STM32單片機主要由按鍵和顯示屏構成，單片機通過串口接收到協(xié)調器發(fā)送來的節(jié)點信息，經過數據處理后顯示在液晶屏上，并且通過串口發(fā)送給上位機。用戶可以通過STM32上的按鍵控制每一個節(jié)點抽水機的工作。

上位機監(jiān)控中心主要通過電腦的串口接收到單片機發(fā)送來的節(jié)點數據，經過數據分析與處理后，動態(tài)顯示水位高度在軟件界面上。用戶可以很直觀的觀測各個節(jié)點的水位信息、溫度信息，并且在電腦上控制每個節(jié)點抽水機的工作，還可以設置相應的預警水位。

2 部分硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包括LCD12864液晶顯示屏模塊、STM32主控模塊和ZIGBEE無線傳輸模塊三個部分。

2.1 LCD12864液晶顯示屏

在系統(tǒng)STM32主控的顯示方面，我們采用了LCD12864液晶顯示屏。它是一款利用點陣圖形顯示的液晶模塊，該模塊具有128*64的顯示分辨率，可以顯示32個16*16點陣大小的字體。使用簡單，成本較低。

2.2 STM32主控單片機

系統(tǒng)采用采用F103系列的RCT6作為微型處理芯片。它采用ARM32位的Cortex-M3CPU，最高工作頻率可達72MHz，具有20K字節(jié)的SRAM。由此可見STM32的功能非常強大，足夠滿足設計的要求。

2.3 Zigbee無線傳輸模塊

系統(tǒng)的ZIGBEE模塊采用的是CC2530芯片，CC2530使用的是8051CPU，它是一個單周期的兼容性內核。其具有128KB字節(jié)的系統(tǒng)內可編程內存、極其高的接受靈敏度和抗干擾能力，具備IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，芯片內置RF內核控制無線模塊，此外它還提供一組連接外部設備的端口，從而可以發(fā)出命令和讀取狀態(tài)，控制各執(zhí)行電路的事件執(zhí)行順序。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括上位機軟件設計、STM32單片機軟件設計和ZIGBEE無線模塊軟件設計三個部分。

3.1 上位機軟件設計

上位機設計使用了.NET開發(fā)平臺下的WINFORM，操作簡單，界面功能豐富，可以形象生動地顯示出水柜蓄水量。因為有三個水柜節(jié)點，所以首先根據串口接收到的數據進行分析，接收到的一串數據幀中，以字符“$”作為幀頭，緊接著是地址符，“A”、“B”、“C”依次代表一到三號水柜。確定了此數據幀是哪個水柜的信息后，緊接著把數據信息接收處理，最后接收到了結束符“#”后，說明數據幀接收完畢。數據接收完成后進行數據類型轉換，將每個節(jié)點信息顯示到軟件界面。用戶也可以根據需要設定水位的上限值和下限值，低過下限值或者高過上限值都會發(fā)出警報。用戶還可以手動控制節(jié)點抽水機的工作，增加蓄水量。

3.2 ZIGBEE軟件設計

協(xié)調器作為ZIGBEE網絡的創(chuàng)建者，首先需要配置好信道號和PANID號，節(jié)點ZIGBEE只有設置與協(xié)調器相同的信道和PANID號才可以加入到ZIGBEE網絡中。為了防止協(xié)調器掉電后重新上電節(jié)點不能加入的問題，筆者在宏定義中加入了NV_RESTORE=1的預編譯選項。除此之外，協(xié)調器還需要根據簇ID判斷是哪個節(jié)點發(fā)送上來的數據，通過串口發(fā)送給STM32，也通過串口接收STM32的指令后發(fā)送數據包給相應的節(jié)點控制抽水機工作。節(jié)點主要是采集傳感器的數據，封裝成幀后通過發(fā)送數據包的方式把信息發(fā)送給協(xié)調器，或者在接收到協(xié)調器的指令后通過控制繼電器通斷打開抽水機。路由器的作用是將數據路由轉發(fā)，即當終端節(jié)點聯(lián)系不上協(xié)調器或者與協(xié)調器連接信號較弱時，會優(yōu)先把數據轉發(fā)給附近的路由器，再

由路由器轉發(fā)給協(xié)調器。

3.3 STM32軟件設計

STM32的串口收發(fā)是根據一定的幀格式完成的，幀格式例如：$**，dddd，dddd，…，（CR）（LF），$作為幀頭，**代表的是某號水柜，dddd為數據域，最后接收到回車換行（CR）（LF）后代表幀結束。為了保證數據幀傳輸的穩(wěn)定，解決數據丟失的問題，在每接收完一個數據幀，都會對數據域進行字符統(tǒng)計，看有沒有缺少或者多出，若與設置的數值不等則丟棄此幀，重新接收。最后將接收到的數據顯示在液晶屏上。

4 總結

本系統(tǒng)以ZIGBEE作為無線網絡傳輸模塊，充分利用了ZIGBEE多節(jié)點、自組網、低功耗的特點，對多個水柜水位、溫度進行實時監(jiān)控。合理放置路由器可實現(xiàn)更遠距離監(jiān)控，加上STM32和上位機等人機交互界面，具有功能豐富、操作簡單、數據傳輸安全穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點。本系統(tǒng)還可以運用于其它多節(jié)點遠程監(jiān)控的場合里。

參考文獻

［1］廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設計［M］.北京﹕中國電力出版社，2012.

［2］周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程［M］.北京﹕北京航空航天大學出版社，2005.1.

［3］王小強.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現(xiàn)［M］.北京﹕化學工業(yè)出版社，2012.6.

［4］林小茶.C語言程序設計（第三版）［M］.北京﹕中國鐵道出版社，2010，12.

［5］劉軍，張洋，嚴漢宇.原子教你玩STM32（寄存器版）［M］.北京﹕北京航空航天大學出版社，2012.

作者簡介：

龍凱思（1994－），男，壯族，廣西寧明人，大學本科，現(xiàn)就讀于廣西民族大學。