基于ZigBee的多參數(shù)雨水監(jiān)測儀的設(shè)計

摘 要：針對目前已有的雨水監(jiān)測儀監(jiān)測參數(shù)單一和實時性差等問題，基于ZigBee和多傳感器集成技術(shù)，設(shè)計了一種多參數(shù)雨水監(jiān)測儀。該裝置通過PH值傳感器、流量傳感器和液位傳感器采集雨水的PH值、流量和液位，通過電流傳感器和電壓傳感器采集雨水處理設(shè)備的運行狀況，并將這些數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)不間斷無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行顯示和存儲，實現(xiàn)多傳感器的接入、各種參數(shù)的自動采集與不間斷遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)裙δ?。該裝置通信可靠，監(jiān)測精度高，能有效地輔助監(jiān)測人員對雨水年徑流總量控制率、非傳統(tǒng)水資源利用率、相關(guān)設(shè)備和設(shè)施狀態(tài)的監(jiān)測與管理。

關(guān)鍵詞：PH值;流量;液位;多傳感器集成;ZigBee網(wǎng)絡(luò)

雨水監(jiān)測系統(tǒng)是海綿城市的重要組成部分，持續(xù)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是科學(xué)分析海綿城市建設(shè)成效的重要依據(jù)。面對量大面廣的設(shè)施設(shè)備，采用全人工方式進(jìn)行巡檢、維護(hù)會極大地降低雨水監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)效果。

本裝置高效集成PH值傳感器、流量傳感器和液位傳感器、電流傳感器和電壓傳感器，實時采集各監(jiān)測點雨水參數(shù)和雨水處理設(shè)備的運行狀況，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)單一和實時性差等問題，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)全面和靈活性高等優(yōu)點，為后續(xù)雨水監(jiān)測管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，提高后期雨水回收利用效率。

1 多參數(shù)雨水監(jiān)測儀總體方案設(shè)計

雨水監(jiān)測儀主要由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、LED顯示器和ZigBee無線傳輸模塊構(gòu)成。傳感器模塊檢測雨水的PH值、流量和液位，電流傳感器和電壓傳感器檢測雨水處理設(shè)備的運行狀況。信號調(diào)理模塊將傳感器模塊檢測到的微弱信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)行放大后傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳輸給微控制器。微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果本地顯示在LED顯示屏上并通過ZigBee通信模塊無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行顯示和存儲。所有的模塊由電源模塊進(jìn)行供電。雨水監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 微控制器

微控制器選擇CC2530F256作為MCU。該芯片具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型的高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核，具有8KB SRAM，具備各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力。256KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。其具有三種不同的供電模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。并且，CC2530F256還具有強大的5通道DMA功能，支持硬件調(diào)試。

3 ZigBee通信模塊設(shè)計

CC2530F256 是用于2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，適應(yīng)2.4GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器，RF內(nèi)核控制模擬無線模塊，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，只需極少的外接元件和一個晶振，即可形成一個滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)需求的簡單應(yīng)用系統(tǒng)。接收靈敏度和抗干擾性極高，可編程的輸出功率高達(dá)4.5dBm。

4 ADC模塊

CC2530F256具有8路輸入可配置分辨率的7～12位ADC。分別在30kHz或4kHz的帶寬。DC和音頻轉(zhuǎn)換可以使用高達(dá)八個輸入通道（端口0）。輸入可以選擇作為單端或差分。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD或是一個單端或差分外部信號。ADC可以自動執(zhí)行定期抽樣或轉(zhuǎn)換通道序列的程序。當(dāng)使用ADC時，端口0的引腳必須配置為ADC模擬輸入。

5 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊選擇型號為CM4016的16通道振動信號調(diào)理模塊，用于動態(tài)信號測試系統(tǒng)的前級信號調(diào)理。其與傳感器直接相連，對傳感器采集到的動態(tài)信號進(jìn)行調(diào)理，輸入量程為±10V。該模塊為系統(tǒng)前端信號提供程控增益、抗混疊濾波和AC/DC耦合等功能。其內(nèi)部采用獨特雙層設(shè)計，將數(shù)字信號和模擬信號及供電電路分割開來，可以有效地避免相互干擾，提高系統(tǒng)測試精度。

6 LCD液晶顯示屏設(shè)計

LCD液晶顯示屏選擇帶中文字庫的128×64LCD液晶顯示屏，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。

7 傳感器模塊設(shè)計

PH值傳感器選擇Y532-B在線數(shù)字PH值傳感器，其具有測量范圍寬、精度高、線性度好、通用性好、使用方便、便于安裝、價格適中等特點。該傳感器采用工業(yè)在線電極，電極前端為平面結(jié)構(gòu)，易于清洗。內(nèi)置溫度傳感器，可以自動溫度補償，適合在線長期監(jiān)測環(huán)境使用。

流量傳感器選擇型號為RB-02S034的水流傳感器，流量范圍為0～6L/Min，輸出信號為脈沖信號，使用電壓為DC24V。其主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。當(dāng)水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，反饋給微控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。其適合各種控制器和開發(fā)板，與CC2530F256微控制器連接只需極少的外圍電路。

液位傳感器選擇型號為JYB-KO-L的投入式靜壓液位傳感器。其基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號。測量范圍為0～300m，供電電壓為DC24V，輸出信號為4～20mA。

電流傳感器選擇型號為CA-33-A55-A2-A1的電力專用電流傳感器，其工作電源AC220V。測量三相三線交流電流，輸入信號范圍為0-5A，50Hz的交流電，輸出信號為0-5mA。其具有優(yōu)良的抗干擾能力，高穩(wěn)定可靠特性，輸出精度≤±0.2%額定輸出。

電壓傳感器選擇型號為CV-33-V35-V2-A1的電力專用電壓傳感器。其工作電源AC220V。測量三相三線交流電壓，輸入信號范圍為300V，50Hz的交流電，輸出信號為0-5V。隔離耐壓為4KVAC，響應(yīng)時間≤250ms。

8 結(jié)束語

基于ZigBee的多參數(shù)雨水監(jiān)測儀利用PH值傳感器、流量傳感器、液位傳感器、電流傳感器和電壓傳感器實時準(zhǔn)確地監(jiān)測雨水的水質(zhì)和處理設(shè)備的運行狀況，并遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，為海綿小區(qū)的建設(shè)評估、運行管理分析提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]趙華.低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)水質(zhì)在海綿城市建設(shè)中的引導(dǎo)作用[J].給水排水，2016，42（10）.

[2]宋夢琪.城市雨水系統(tǒng)中低影響開發(fā)與綠色水基礎(chǔ)設(shè)施及其實例[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（3）.

[3]楊京帥，雷景敏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測與評估關(guān)鍵問題研究[J].公路，2012（9）.

[4]張靜，皇甫瑋喆.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子與封裝，2016（12）.

[5]喻紀(jì)文，賈露，李青等.基于4G網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測分布式數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（2）.

作者簡介

王玲（1988-），女，漢族，重慶璧山人，碩士研究生，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計算機控制。