自來水控制系統(tǒng)無線通信論文

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0引言

傳統(tǒng)的城市自來水控制系統(tǒng)是采用壓力控制，對于一些樓層高的用戶來說，水壓低和斷水影響了人們的日常生活，用水量的變化使得傳統(tǒng)的自來水控制系統(tǒng)一直保持高水位狀態(tài)，浪費一定的水資源。最近幾年，無線通信技術(shù)很快的發(fā)展起來，應(yīng)用到生活的方方面面，其中以其連接方便、自組網(wǎng)、功耗低、投資低等特點，是實現(xiàn)智能自來水控制系統(tǒng)的理想選擇。針對城市自來水控制系統(tǒng)引起的水資源浪費問題，提出一種基于GPRS模塊的遠程自來水控制系統(tǒng)；針對傳統(tǒng)自來水系統(tǒng)的不穩(wěn)定、可擴展性差、能耗高等特點，提出基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能自來水控制系統(tǒng)。合理優(yōu)化的控制結(jié)構(gòu)能節(jié)約能耗，分布式控制系統(tǒng)采用分級遞階的體系結(jié)構(gòu)，能夠使整個系統(tǒng)在優(yōu)化的環(huán)境下運行。針對現(xiàn)有自來水控制系統(tǒng)存在的問題，本文開發(fā)了一種基于無線通信系統(tǒng)的自來水遠程分布式智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)安全可靠、能耗低、可擴展性強、易于控制。智能控制終端用Zigbee組網(wǎng)實現(xiàn)對自來水壓力的分布式智能控制，GPRS模塊和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)合，通過遠程控制中心的上位機連接網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制。

1硬件結(jié)構(gòu)

本文提出的無線通信系統(tǒng)的自來水遠程分布式智能控制系統(tǒng)主要包括：遠程控制系統(tǒng)、GPRS/Zigbee通信傳輸系統(tǒng)、終端控制系統(tǒng)3個部分組成。遠程控制中心通過上位機軟件系統(tǒng)對自來水系統(tǒng)進行遠程控制；GPRS/Zigbee通信系統(tǒng)主要包括GPRS傳輸模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器等組成；終端控制系統(tǒng)包括無線模塊、調(diào)節(jié)水壓模塊等組成，無線模塊是控制終端的核心，由其產(chǎn)生PWM脈沖信號，控制調(diào)節(jié)自來水的水位。采用GPRS和Zigbee無線組網(wǎng)方式實現(xiàn)自來水水壓的遠程控制，體現(xiàn)了GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠、傳輸速率快的優(yōu)點和Zigbee自組網(wǎng)、時延短、容量大的特點，控制方便、系統(tǒng)擴展性強，降低成本投入，很適合自來水遠程智能控制。GPRS模塊能穩(wěn)定可靠的控制整個系統(tǒng)，通過它實現(xiàn)GPRS和RS232串口之間的數(shù)據(jù)遠程傳輸，主要包括MD251模塊、SIMSOCKET模塊、電源模塊等，MD251是核心，它是可編程GSM/GPRS模塊，該模塊支持GPRS數(shù)據(jù)通信、SMS控制、AT命令控制和UART串口中斷，同時SIM卡接口和其他外部接口，以便實現(xiàn)GPRS和RS232之間的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee模塊在系統(tǒng)中很重要，主要有CC2530控制芯片、CC2591功能放大芯片和外圍器件組成。CC2530是一款工業(yè)級體積小的高效單片機，單個芯片上整合了Zigbee射頻前端、內(nèi)存以及微控制器。但CC2530的通信距離有限，加一個CC2591加大節(jié)點間的通信距離，降低通信延時和增強信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)包含設(shè)備終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點有一個Zigbee模塊和RS232組成，接收信號并傳輸?shù)絑igbee網(wǎng)絡(luò)部分。

2軟件結(jié)構(gòu)

2.1Zigbee的自組網(wǎng)

Zigbee主要包括3種拓撲結(jié)構(gòu)：星型拓撲、樹狀拓撲和網(wǎng)狀拓撲。協(xié)調(diào)器節(jié)點用來創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，具有維護功能，監(jiān)控其它設(shè)備的入網(wǎng)許可，管理整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)；路由器節(jié)點完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，保障數(shù)據(jù)快速高效的傳輸，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率；終端節(jié)點實現(xiàn)具體的控制功能，并反饋數(shù)據(jù)，樹狀拓撲和網(wǎng)狀拓撲雖然能處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，但是這樣增加了能耗和數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r性增加，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，容易搭建網(wǎng)絡(luò)，擴展容易。因此，我們選擇星型拓撲結(jié)構(gòu)來組網(wǎng)。系統(tǒng)采用MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧組建Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，先讓協(xié)調(diào)器節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)平臺建立Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，然后進入無限循環(huán)運行狀態(tài)機，監(jiān)控外來入網(wǎng)信息，其它節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)需求后，通過網(wǎng)絡(luò)平臺加入網(wǎng)絡(luò)，運行，通過APP_STATE_RUN_APPn執(zhí)行應(yīng)用程序。

2.2系統(tǒng)的控制

系統(tǒng)控制軟件應(yīng)用C語言編寫，通過GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。網(wǎng)絡(luò)通過SOCKET技術(shù)建立與GPRS模塊的通信連接，包括通訊連接、終端遠程控制、網(wǎng)絡(luò)維護、數(shù)據(jù)維護等模塊?？刂平缑婺芎芎檬潜O(jiān)測到每一個端口號和IP地址，用戶通過界面了解到不同IP地址下的水壓的值，從而使得用戶能自我調(diào)節(jié)水壓，可以采用編號的形式控制每個智能終端，方便快捷實現(xiàn)自來水終端的遠程智能控制。

2.3協(xié)議分析

GPRS傳輸協(xié)議通常是TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)包的協(xié)議分為數(shù)據(jù)頭、事件號、上/下行、長度、源端點、目的端點、控制位、功能位以及數(shù)據(jù)尾。

3實驗結(jié)果分析

實驗對基于無線通信系統(tǒng)的城市自來水遠程分布式控制系統(tǒng)進行驗證測試。包括內(nèi)容是GPRS網(wǎng)絡(luò)的建立，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的搭建和組網(wǎng)以及供水功能是調(diào)節(jié)實現(xiàn)。通過實驗得到，這種方式操作容易、控制簡單，具有很強的擴展性。

4結(jié)束語

本文運用無線通信系統(tǒng)中GPRS網(wǎng)絡(luò)進行遠距離傳輸以及傳輸速率快的特點，接合Zigbee自組網(wǎng)的低功耗、延時短、容量大的特點來建立城市自來水的分布式控制系統(tǒng)，滿足城市自來水的智能化、節(jié)能化和網(wǎng)絡(luò)化等的需求，實驗結(jié)果表明了此遠程控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、方便靈活、易于擴展等優(yōu)點，對于人們的日常用水有一個更好的保障。

作者：張金良