ZigBee無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張彥軍，喬 銳，翟成瑞，朱珊珊，杜依林

（1.中北大學(xué)a.儀器與電子學(xué)院；b.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100076）

0 引言

我國漏水檢測系統(tǒng)市場上主要是有線、智能化程度低、能量損耗較大的漏水檢測系統(tǒng)，在應(yīng)用環(huán)境中存在許多不足：當(dāng)檢測系統(tǒng)安裝成功后，檢測距離和檢測范圍會(huì)因?yàn)槭怯芯€連接方式而被限制；更重要的是系統(tǒng)的智能化程度低，無法對(duì)漏水節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)線路連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的監(jiān)控；無法方便提供泄露位點(diǎn)位置信息，監(jiān)控靈敏度和泄漏的定位精度也很低。

漏聲檢測和負(fù)壓波等方法能夠在一定程度上對(duì)漏液進(jìn)行檢測，但它們?nèi)匀挥芯窒扌裕@些檢測方法容易受環(huán)境因素的干擾，很難在復(fù)雜的管道環(huán)境中發(fā)揮作用。而光纖液漏傳感器可以抵抗輻射和電磁干擾，可以滿足復(fù)雜環(huán)境下的漏水監(jiān)測。

ZigBee 技術(shù)是一種短距離無線雙向通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，此技術(shù)不但協(xié)議簡單、組網(wǎng)的能力較強(qiáng)，且網(wǎng)絡(luò)容量很大卻功耗低。它還具有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)短、安全且可靠以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。路徑自由選擇、自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)及自我恢復(fù)等功能也是它的特點(diǎn)［1-3］。

利用ZigBee 技術(shù)和光纖液漏傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Zigbee技術(shù)的無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)管理終端應(yīng)用軟件的功能［4］，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)房、倉庫、管道等復(fù)雜環(huán)境下的無線漏水檢測，系統(tǒng)具備組網(wǎng)靈活、安裝簡易、成本低廉、可擴(kuò)展性強(qiáng)、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)由光纖傳感器、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集處理模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊和上位機(jī)組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

監(jiān)測系統(tǒng)的感知層是光纖傳感器，傳感器主要由柔性LED燈帶和帶有側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)的聚合物光纖組成，側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)被LED 流水燈點(diǎn)亮，形成一系列傳感單元，光通過側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)入聚合物光纖中，當(dāng)LED和耦合結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)改變時(shí)，光纖輸出光強(qiáng)改變，輸出光功率隨之改變，可對(duì)漏水事件進(jìn)行檢測［5-6］。光纖液漏傳感器對(duì)漏水信號(hào)采集后，由光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)成電流信號(hào)輸入信號(hào)處理模塊中的運(yùn)放、濾波等一系列信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)A/D模塊，由單片機(jī)控制發(fā)送到無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)。無線協(xié)調(diào)器通過ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)接收來自發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息。協(xié)調(diào)器通過UART串口通信將收回來的信息在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，用戶可在上位機(jī)上觀察數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分主要是對(duì)光電轉(zhuǎn)換來的微弱信號(hào)進(jìn)行處理和通信組網(wǎng)，主要由運(yùn)算放大電路、主控制器電路，還有無線通信等電路設(shè)計(jì)組成。

2.1 運(yùn)算放大電路

針對(duì)光纖液漏傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)化器來的信號(hào)由AD8304 搭建的對(duì)數(shù)放大電路進(jìn)行優(yōu)化和放大［7］。專門的光電二極管接口和內(nèi)部集成的溫度補(bǔ)償電路使得信號(hào)轉(zhuǎn)換精度大大提高。光電二極管輸入的微小的電流信號(hào)經(jīng)過這個(gè)對(duì)數(shù)運(yùn)算放大，完成電流到電壓對(duì)數(shù)比的轉(zhuǎn)換。電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。信號(hào)二級(jí)放大之前使用OPA375 電壓跟隨電路可以起到隔離和緩沖的作用。

圖2 對(duì)數(shù)運(yùn)算放大

2.2 主控制電路

主控電路如圖3 所示，單片機(jī)采用32 bit STM32-F103RDT6，該芯片用ARM Cortex M3 內(nèi)核，擁有很多的內(nèi)置部件，包括：72 MHz 的工作頻率，64 Kbyte FLash，JTAG和SWD 調(diào)試接口［8-9］。通用片上外設(shè)使得系統(tǒng)電路元器件配置少且簡單。電源電路、MCU、復(fù)位電路、晶振電路和SW 下載調(diào)試接口電路組成了它的最小系統(tǒng)電路。

圖3 主控外圍電路圖

2.3 無線通信電路

系統(tǒng)中無論發(fā)送節(jié)點(diǎn)還是接收協(xié)調(diào)器通信模塊采用低功耗高性能的CC2530，它集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz 頻段的RF 無線電收發(fā)機(jī)，射頻調(diào)制模式DSSS（直接序列擴(kuò)頻模式），提供了一套廣泛的外設(shè)集，包括8 通道12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器和21 個(gè)通用GPIO、2 個(gè)USART接口、128 bit AES 加密解密安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器，因此，構(gòu)建一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)的外圍電路是很簡單的［10］。圖4 是其通信原理圖。

圖4 無線通信電路原理圖

CC2530 作為無線通信傳輸主控芯片，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)進(jìn)行匯聚、轉(zhuǎn)發(fā)、接收與采集，可以極大地增強(qiáng)通信的寬帶與覆蓋范圍。每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間在通電之后會(huì)自動(dòng)組成一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以給網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，具有很強(qiáng)的自我修復(fù)能力。印版天線的可視單跳通信距離為60 m，系統(tǒng)使用的是IPEX 接口天線，單跳通信距離達(dá)到90 m。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最大可以支持180 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址可以通過Uart 進(jìn)行修改，信道和網(wǎng)絡(luò)ID必須相同，即可進(jìn)行組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行選擇最優(yōu)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。如圖5 所示為其組網(wǎng)流程圖。

圖5 組網(wǎng)流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

這里主要說明系統(tǒng)終端應(yīng)用軟件上位機(jī)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要采用labVIEW 虛擬儀器軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)漏水監(jiān)測功能［11-13］。上位機(jī)主要功能是實(shí)時(shí)對(duì)光纖漏水傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，如果監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)生漏水，上位機(jī)軟件會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警警示，同時(shí)會(huì)在上位機(jī)面板窗口顯示漏水節(jié)點(diǎn)信息和精確位置數(shù)據(jù)，極大地方便了用戶及時(shí)查找和補(bǔ)救。軟件工作程序框圖如圖6 所示。

圖6 軟件工作程序框圖

上位機(jī)軟件還設(shè)計(jì)了其他功能包括：數(shù)據(jù)分析和處理模塊，參數(shù)信息的配置，數(shù)據(jù)查詢模塊等，軟件界面如圖7 所示，節(jié)點(diǎn)連接成功會(huì)顯示已連接并且指示燈會(huì)變綠；當(dāng)檢測到漏水時(shí)波形圖會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)，漏水的指示燈會(huì)變紅，漏水位置信息顯示漏水具體位置。參數(shù)配置里可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足用戶多節(jié)點(diǎn)的檢測漏水。

圖7 軟件界面圖

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 通信模塊性能測試

ZigBee無線傳輸模塊的測試主要是測量漏水監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)備是否能夠順利進(jìn)行無線通信傳輸和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)丟包率的情況等，以衡量系統(tǒng)通信的可靠性和穩(wěn)定性［14-16］。實(shí)驗(yàn)測試過程將每個(gè)無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)模塊下載好發(fā)送包程序，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過uart 在串口調(diào)試終端顯示接收的信息。改變無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收器的距離，記錄測量結(jié)果見表1。

表1 通信模塊性能測試結(jié)果

經(jīng)過上面的實(shí)驗(yàn)可以得出節(jié)點(diǎn)的每個(gè)主要功能模塊都可以進(jìn)行良好的工作，且協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)和通信能力都滿足實(shí)際應(yīng)用的預(yù)期設(shè)想。為改進(jìn)通信質(zhì)量，增大傳輸距離，在網(wǎng)絡(luò)中布置一個(gè)路由器，再次測試，發(fā)現(xiàn)傳輸距離可達(dá)到60 m，且丟包率小于3%，當(dāng)系統(tǒng)需要節(jié)點(diǎn)增加時(shí)，可以考慮增加路由器來提高傳輸質(zhì)量。如圖8 所示，是將無線節(jié)點(diǎn)放入鋁合金外殼進(jìn)行單點(diǎn)測試，最終可以確定監(jiān)測有效最大距離是50 m。

圖8 監(jiān)測距離測試

4.2 漏水監(jiān)測系統(tǒng)整體性能測試

本課題設(shè)計(jì)的漏水檢測系統(tǒng)是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此不僅要對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的通信模塊進(jìn)行測試，還要對(duì)系統(tǒng)的整體可靠性、系統(tǒng)的靈敏度（系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間）以及定位精確度等根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)過程中將系統(tǒng)各個(gè)部分連接起來，進(jìn)行漏水模擬實(shí)驗(yàn)。保持系統(tǒng)設(shè)備處于正常監(jiān)控狀態(tài)，以24 h為時(shí)間間隔進(jìn)行測試，考查系統(tǒng)的長時(shí)間持續(xù)工作能力，并記錄系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和定位讀數(shù)。隨機(jī)抽取測試當(dāng)天的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2

結(jié)果表明，如果系統(tǒng)供電正常的話，就可靠性來說，一旦出現(xiàn)漏水系統(tǒng)能夠在6 s 之內(nèi)為用戶提供報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)工作狀態(tài)整體比較好，并沒有產(chǎn)生明顯錯(cuò)誤信息和異常現(xiàn)象，可以得出系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 系統(tǒng)定位分析

系統(tǒng)定位方式為基于LED 燈帶順序掃描的尋址定位方式。程序控制的LED 燈一方面給光纖提供光源，而另一方面就是將程控的LED燈號(hào)和監(jiān)測漏水的位置點(diǎn)進(jìn)行信息編幀；圖9 所示為收回的幀數(shù)據(jù)。

圖9 HexEdit軟件數(shù)據(jù)結(jié)果

每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)控制對(duì)應(yīng)燈帶上的LED燈，如果發(fā)生漏水，燈號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生變化，燈號(hào)對(duì)應(yīng)一定的距離，上位機(jī)會(huì)將對(duì)應(yīng)編幀好的信息解析出來，并與對(duì)應(yīng)的設(shè)定上下限進(jìn)行比較，判定該位置是否發(fā)生漏水，對(duì)定位測量數(shù)值和實(shí)際漏點(diǎn)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖10 所示。由誤差值柱狀圖可以看到系統(tǒng)定位誤差在17 cm之內(nèi)。

圖10 定位誤差圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸漏水監(jiān)測系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)前端感知基礎(chǔ)主要是利用光纖傳感器對(duì)漏水信號(hào)感知采集，而網(wǎng)絡(luò)層則充分利用ZigBee 的低功耗特點(diǎn)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，充分展示了本系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活、安裝的簡單、成本的低廉和檢測節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用層則利用labVIEW軟件對(duì)系統(tǒng)終端監(jiān)測管理軟件上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶可以很方便地對(duì)漏水信息和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低功耗漏水監(jiān)測，系統(tǒng)測試運(yùn)行的靈敏度和可靠性、穩(wěn)定性都極高。監(jiān)測區(qū)域50 m之內(nèi)發(fā)生漏水，系統(tǒng)會(huì)在平均反應(yīng)時(shí)間6 s而且定位誤差在17 cm之內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)漏點(diǎn)的檢測。