江河防汛物联预警系统硬件设计
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中国·珠海
二○ 年 月
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日期： 年 月 日
江河防汛物联预警系统硬件设计
摘
科技水发展推动社会生活水发展重力量现电子技术愈愈成熟工智成时代流热便物联网目前物联网已成发展流物联网技术顾名思义需实物网络通信现方面技术科技水样变前更加成熟江河防汛古直解决重问题防洪防汛仅保证生命财产安全利水进行灌溉种植养殖等生活中重环节推动社会济发展缺环文研究基物联网技术防汛预警系统仅实时监测水位时实施报警远程水位进行实时监控端时知水位信息知否预警进够时采取步措施文研究江河防汛预警系统分两部分：
1 基zigbeen组网水位检测终端节点传感器节点处zigbeen通水位传感器器水位进行检测输出信号模拟量zigbeen通AD转换输出电压值根公式计算出应水位高度然通ZStack协议栈数传输协调器节点
2 协调器节点接受终端数进行处理节点水位信息OLED显示出子节点数设置报警水位值进行超阈值进行预警外协调器读取GNSS定位信息水位数定位数通GPRS发送远程服务器端服务器端接受数设计软件进行服务器取数数显示设计界面采动画形式模拟水位信息
关键词：江河防汛物联网zigbeen水位检测
River Flood Control IOT Early Warning SystemHardware Design
Abstract
Science and technology level of development is an important factor in the development of the society and people＇s living standard now more and more mature electronic technology and artificial intelligence became the mainstream of The Times recently there is a big hot is the Internet of things the Internet has become the mainstream of development the Internet of things technology as the name implies is the need to physical and network communication and now this technology is become more mature than before science and technology level
Flood control has been an important problem to be solved since ancient times
Flood control not only ensures the safety of people＇s life and property but also facilitates irrigation planting farming etc It is the most important link in people＇s life and an indispensable link in promoting social and economic development
The flood prevention and warning system based on the Internet of things technology studied in this paper can not only monitor the water level in real time but also give an alarm in time It can also monitor the water level in real time at a remote location and get the water level information in time at the back end so as to know whether to give an early warning or not so as to take the next steps in time
The flood prevention and early warning system of rivers studied in this paper is mainly divided into two parts
1 The water level detection based on zigbeen network the terminal node is the sensor node zigbeen by water level sensor to test the water level the output signal for analog zigbeen through the AD transform to get the output voltage value then according to the formula to calculate the corresponding water level and then through the Z Stack protocol Stack to transmit data to the coordinator node
2 The coordinator node to accept all the terminal data processing the water level information of each node on the OLED display then each child node data comparing and set the alarm level values if more than threshold criterion for early warning in addition to the coordinator read GNSS positioning information and then water level data and positioning data through GPRS sent to the remote server
After the server side receives the data the designed software takes the server number displays the obtained data on the designed interface and simulates the water level information in the form of animation
Keywords River flood control Internet of Things zigbeen Water level detection
目 录
绪 1
（）研究意义背景 1
（二）国外研究现状 2
（三）研究容章节安排 2
二江河防汛预警系统水位测量通信技术研究 3
（）水位传感器简介 3
（二）Zigbee线传感器网络 5
（三）GPRS技术 8
三江河防汛预警系统硬件设计 9
（）zigbeen系统设计 9
（二）节点电源部分设计 10
（三）蜂鸣器报警模块设计 11
（四）液晶显示电路 12
四江河防汛物联网预警系统综合测试 12
（）zigbeen组网调试 12
（二）GPRSPC服务器远程通信测试 14
（三）位机水位检测预警测试 15
五总结 17
绪
目前物联网数字信息时代越越火涉应领域愈愈广泛功更加全面着工智出现发展物联网越越智化文设计江河防汛预警系统基zigbeen进行水位检测预警数采集通网络通信发送前端
（）江河防汛预警系统研究意义背景
科技水发展推动社会生活水发展重力量现电子技术愈愈成熟工智成时代流热便物联网目前物联网已成发展流物联网技术顾名思义需实物网络通信现方面技术科技水样变前更加成熟设计毕业设计江河防汛物联预警系统研究课题选题具意义：通科学技术应次毕设江河防汛物联预警系统操作理更加科学化规范真正体会科技发展现实生活带方便舒适
监测环境参数支持水利工程理WSN概念成功应领域全球水利工程系列问题必须采效方法水讯进行监测预警仅助提高水利生产率维护该区域生态衡现水通常宝贵资源事物两面性水具危害例江河水域旦出现汛期周围生态造成严重危害该水域工业农业造成影响更危害生命
前水文信息监测预警国直非常关注监测技术方式相落偏远水域区水文数然传统方法识分析评估水文环境基础进行点程度预测出现利情况进行预警素参符合现代水文监测求然量数变化规律忽视性质处理数相费时困难数测量方法旧存缺点难点致法时发现终导致法全面客观表达出水文信息变化规律实际情况出现危险法做出时判断预测
课题研究江河防汛物联预警系统正式应类问题通该系统效水文信息进行实时关注特防汛角度效起预警作监测预警程需数传递该预警系统网络传输设计显格外重
WSN应非常流行常线技术包括线技术GPRS数字线电台移动通信卫星通信等存局限性现ZigBee技术越发成熟相种方法ZigBee技术拥巨优势ZigBee技术江河防汛物联预警系统中满足水文监测信息化网络化需求拥成低功耗低稳定性易优势覆盖范围江河防汛监测预警技术未出具体参考
（二）国外研究现状
江河防汛物联预警系统研究关国家数量少美国日该领域中杰出成果国家美国直研究通信进行测量系统相先进特动水文监测卫星通信监测广泛着线传感器通信技术发展SUTRON企业授权深度开发新型水文防汛预警系统该系统极先进线传感技术监测型水体环境信息数传递方法利侧重监测传输网络建设该网络完成水文数处理程
美国外日作岛国水文信息监测预警成熟预警信息针海洋区域日优秀传感监测设备利稳定传输方法传输水文数时日陆区已建设量雷达雨量监测站面水量监测站江河水位站整陆范围记录水文信息监测中心遥测系统传输水文数全国范围水闸信息收集非常快速实时播报监控中心便知道水闸站状态进行实时控制终实现全动监守该系统成功应该处该行业前列
国外研究江河防汛预警方面直走前面系统集成系统设备技术手段相完整通信技术断发展该方法确保监测预警系统准确
外国情况江河防汛预警研究国落历三阶段：第阶段开发阶段网络阶段处理水文信息资源达信息化求早1980年面年相关研究已开始进入正轨年代传感器相关技术发展时候开始研究利传感器读取水位2000年左右电脑相关技术水通讯技术显著提升意味着江河防汛已物联网发展适应防洪合理调度水资源需水文信息智化网络化
国水利部早2006年江河防汛预警更高求提出新发展思路通水利部省市水文信息网络传输水文信息动收集传输接收处理分析信息化方式进步发展防洪防洪预报建设实现稳定水讯预警系统
国目前然江河防汛预警方面直发展取进展发达国家相然较长距离系统尚未完善信息收集传输方法技术相满足快速准确实时监测求
（三）研究容章节安排
1通查阅资料解前行业前防汛物联预警技术产品发展状况
2培养学知识现实相联系力
3次毕业设计中负责工作选择水位传感器传感器节点硬件电路设计调节传感器节点程序
4具报警功水位超限者限时报警
5传感器非电量信号转换成电量信号设计中选什传感器济性性准确性方面考虑
文分五章节江河防汛物联预警系统网络传输部分设计进行阐述：
第章介绍江河物联预警系统整体研究背景研究意义分析该系统网络传输部分设计基础理工作原理进行总结然说明文研究容章节安排
第二章该系统水位检测部分网通信涉原理进行分析中液位传感器检测原理基Zigbee线通信技术
第三章整体硬件进行设计包括zigbeen系统电源部分报警部分液晶显示部分
第四章结合硬件软件层两方面进行联合调试实验出结分析
第五章课题设计进行总结
二江河防汛预警系统水位测量通信技术研究
（）水位传感器简介
水位传感器分种应领域言运水库水位测量江河处防汛防旱测量原理分种：
1运超声波知识设计传感器
原理传感器发出超声波然水面反射传感器探头计算反射时间超声波空气传输速率已知根
sCt∕2 （21）
根公式S
种传感器范围行设计
传感器输出电流信号4~20mA
图21 水位检测基超声波原理图
2 基水压原理设计水位传感器
种方式水位传感器检测原理根水位形成水压根水压测水位
种传感器范围行设计
传感器输出电流信号4~20mA
图22 基水压设计水位传感器
3 水滴水位传感器模块
测量范围性价开发难度等方面素文设计采传感器水位水滴传感器仅开发难度规格相显巧检测原理根板子暴露导线采集水量根采集位置输出相应模拟量单片机采集模拟量公式函数转化相应水位数值
具体参数：
范围电压：直流3V5V
额定电流范围：低20毫安
工作时温度：10度30度
工作时湿度：1090凝结
模块重量：35g
板子尺寸：62mm x 20mm x 8mm
图23 液位传感器
接口说明
水位传感器连接扩展板A0号模拟脚
1+ (VCC) 接电源正极(35V)
2(GND) 接电源负极
3S 模拟信号输出
图24 液位传感器设计图
（二）Zigbee线传感器网络
1．ZigBee简描述
zigbeen局域网中节点根组网形式然相互间实现线通信跳级方式构成zigbeen组成局域网基zigbeen组成线传感器网络囊括项技术信息采集传输网络通传感器节点采集处理协作传输监测象种物理量信息传感器节点根组网形式然相互间实现线通信跳级方式构成zigbeen组成局域网数传输户终端实现类社会生产生活物理世界互联前线网务通信质量良情况高数吞吐率线传感器网络采集传输种物理信息针信息般求短采集周期通信速率线传感器网络考虑素关注问题布局方便体积量限情况延长网络生命周期
IEEE 802154 种低速率线单局域网标准EEE802154标准定义物理层PHY介质访问控制子层MAC成较低结构较简单具灵活吞吐量较低功率LRWPAN想实现种短距离通信数传输成低通信方案种通信方案具备协议简单灵活电池寿命合理安装节点方便等特质
图25 ZigBee协议栈架构
ZigBee协议栈框架图示EEE 802154基础搭建ZigBee联盟
定义网络层应层
11物理层(PHY )
里提物理层理解zigbeen需进行组网硬件支持文需协议栈硬件基础层实现相互间信息发送信号检测基参数调节等功物理层连接两层MAC层线通信层做工作层数传送层理工作
IEEE 802154 标准定义分工作868MHz915MHz24GHz频段三种物理层基带方式27物理信道信道覆盖三频段具体分868~8686MHz包含信道902~928MHz包含10信道24~24835GHz 包含16信道
节提物理层硬件通信协议协议栈更层做支持兼容采模型图中26绘制模型样图中知道层够层MAC层提供相应程序接口第说PDSAP第二说PLMESAP中文翻译物理层数接口翻译理接口物理层作控制通物理层发送数层软件设计中通程序调命令通两接口函数物理层发送发送数反物理层数够通两函数程序层发送数负责底层硬件电路理功射频电路理包括设备收发转换信道量估等工作
图26 物理层参考模型
12网络层(NWK)
ZigBee协议栈核心部分网络层节点设备退出加入需网络层实
现全功节点考虑接收节点入网者令离开网络路寻址等功时NWK层层应层提供数理服务
13应层( APL)
ZigBee应层分四层次结构包括应支持子层APSZigBee设备象ZDO
应框架AF制造商定义应象APS帧结构APDU两部分组成 APS帧头包含帧控制址域帧载荷APS帧传输效数
APS层网络层应层间接口提供数理两种服务两种服务分APS数实体APSDEAPS理实体APSME提供中APSDE负责网络设备间传输应层数PDU APSME负责设备发现AIB理等工作外数实体理实体间存访问接口理实体数实体提供服务应支持子层参考模型图27示
图27 应层参考模型
2．ZigBee网络拓扑结构
ZigBee线传感器网络组成星型树型网状三种网络拓扑结构种拓扑结构必须包含协调器设备图28示星型网络般包括协调器干终端协调器负责建立起PAN网络终端设备通选择协调器作父节点加入PAN网络终端设备设备通讯时需数包发送协调器该全功设备转发数包目终端设备
网状拓扑结构中样协调器路器终端节点等设备树状网络种拓扑较灵活需建立网络时限制网络形状网络节点间建立直接通信链路通全功设备中路表建立起网状路设备间通优路径通信网状网通信快捷灵活性强支持强路功全功设备核心处理器需更存储空间
图28 ZigBee网络拓扑结构
（三）GPRS技术
通线分组业务简称GPRS已GSM网络进行软硬件升级发展起线数传输业务GPRS通信资源利率高分组交换技术数分组收发户够享受高速线低服务成线通信服务GPRS技术覆盖范围广永久线传输效率高等特点工业领域广泛应尤远程监测中具种优势
GPRS网络通GSM网络中增加网关GPRS支持节点GGSN服务GPRS支
持节点SGSN实现系统结构29图示便携设备通线连接GPRS蜂窝电话通蜂窝电话信号塔进行通信信号塔GPRS数分组发送支持点
图29 GPRS网络体系结构
SGSNGSM网络中支持节点连接信号塔GPRS网络点电路交换方式数呼通移动交换中心MSC连接网络SGSNGGSN间采GPRS隧道协议GTP实现X25者IP分组封装两者间进行数传输GGSN网关节点负责数进行处理发送特网GPRS网络实现数网络互联
三江河防汛预警系统硬件设计
江河防汛预警系统硬件设计包含7节点6终端节点采集水位信息数处理数发送协调器节点协调器节点功6子节点进行zigbeen组网形成局域网读取6子节点数实时显示协调器节点设置报警阈值进行水位实时报警GNSS信息水位信息发送服务器端总体结构框图图31示
图31 预警系统总体结构图
（）zigbeen系统电路硬件设计
Zigbeen系统简单说分两部分控芯片模块RF模块zigbeen进行数相互传递线通信硬件基础zigbeen系统中采晶振电路系统提供时间周期采晶振32MHz通信方式分串行通信控制RF模块实现zigbeen间线通信Zigbeen控芯片CC2530款芯片基网络协议符合 24GHz IEEE 802154外TI公司设计款芯片具特点具线射频力灵敏度相高干扰抵抗力重点够进行休眠进入低功耗模式尤适需低功耗情况宽电压输入236V8位MCU(8051)8KB RAM具8路输入配置分辨率12位模拟数字转换器(ADC)符合IEEE 80254标准MAC计时器常规16位计时器8位计时器AES128协作处理器
图32协调器硬件电路图
图32 协调器CC2530电路图
（二）节点电源部分设计
设计采电源供电电池供电电池电压9V协调器终端节点设计需满足节点稳定电压输出5V33V供电硬件设计方面需设计电源文采稳压芯片MP1584该电源设计调输出5V者33V供电满足两种节点供电
MP1584MP公司设计款够具高频够调节开关电源芯片电压输入端宽电压输入范围输入范围45伏特28伏特降压广泛汽车电子产业中静态电流100ua种功耗适合运低功耗电子设备中许带电池电子设备MP1584强抗电磁干扰力收音机等射频电子设备中广泛
典型应电路设计示：
图33 MP1584典型应电路图
设计根应电路进行原理图PCB绘制制作出MP1584电源模块图34示：
图34 MP1584电源模块图
（三）蜂鸣器报警模块设计
声报警电路电阻NPN三极S8050蜂鸣器组成蜂鸣器正极接VCC（＋5V）电源负极接三极集电极单片机P14引脚通限流电阻R9控制基极P14高电时三极导通电路接通蜂鸣器报警P14低电时三极截止蜂鸣器通路断开报警
图35 三极控制蜂鸣器报警图
（四）液晶显示电路
带中文字库128×64种具种串行接口方式液晶显示模块分辨率128×64 置汉字字符集功耗低体积厚度实现种显示优点系统仪器仪表中应[
]
电路图39液晶板接VCCGND单片机P0口P2口相连变电阻R1接度电位引脚该阻值决定液晶屏否显示阻值定区域值会显示1920背光电源引脚VCCGND相连时加变电阻DA控制调整背光亮度
图36 液晶显示电路图
四江河防汛物联网预警系统综合测试
（）zigbeen组网调试
设计ZigBee线传感器网络通信协议栈程序基IAR台开发利IAR编译软件方便协议栈程序进行线仿真调试图41示IAR台进行ZStack协议栈调试界面通拉菜单选择该程序终端路器协调器三种功ZigBee节点通改变协议栈中设备类型宏定义协议栈层执行代码实现
图41 ZStask协议栈调试
USB Dongle 抓包器TI公司Packet_ Sniffer 抓包软件捕捉空气中ZigBee线数包助ZigBee协议栈调试加深理知识理解
开Packet_Sniffer抓包软件连接抓包器终端路器协调器协议栈程序分载应节点CC2530芯片中设计调试时两终端节点路器节点协调器节点首先启动协调器节点通抓包软件ZigBee协调器发送帧信标请求帧时周围存全功节点会回复信标帧协调器通信标帧判断周围网络情况创建网络做准备协调器创建网络成功会隔段时间(默认15s)发送网络连接状态帧帧里面携带协调器址0x0000创建网络PAN ID
ZigBee线传感器网络理知识结合抓包软件图42直观出终端节点路器节点入网前行相会直发送信标请求帧时周围存全功节点会回复信标帧需入网节点信标帧判断周围网络情况根信标帧中信号强度等指标选择佳父节点请求加入网络新节点通信号质量等标准选择合适父节点决定入网时会发送包含节点MAC址数帧父节点请求加入网络父节点收请求硬件回复应答帧然新节点该父节点发送数帧求父节点机分配网络址发送新节点父节点收请求硬件回复应答帧接着机分配网络址发新节点时新加入网络节点知道网络址少指定目标址时候MAC址子节点收网络址硬件回复应答帧新节点加入网络会整PAN网络广播网络址宣告入网
图42 ZigBee节点通信抓包分析
终端节点路器节点入网行入网终端节点隔段时间会父节点发送数请求帧告知父节点然网络中父节点接收子节点发数请求帧会底层硬件动回复应答帧路器节点作全功设备允许新节点加入网络入网会协调器节点样隔段时间发送网络连接状态帧便设备发现节点网络
根捕捉线数包出网络址0x0000(协调器节点)设备广播网络连接状态帧网络址0x52EA网络广播网络连接状态帧节点显然路器节点网络址0x72A7终端2父节点0x52EA路器发送数请求帧网络址0x65DE终端1父节点0x0000协调器发送数请求帧前网络拓扑结构图43示
图43调试节点网络拓扑结构
（二）GPRSPC服务器远程通信测试
实现GPRS模块PC机通信需映射软件配置网映射AT指令GPRS模块配置网络透传模式图64示单独调试GPRS模块时串口调试助手GPRS模块发送配置指令数网络调试助手PC机IP址端口号6666 进行侦听花生壳软件配置端口映射通GPRS模块发送域名17077jy054iaskin端口32707数会达PC机
图44 GPRS模块PC机远程通信调试
（三）位机水位检测预警测试
设计位机基zigbeen组网进行局域网通信传感器节点部分zigbeen模块电池供电稳压模块水位传感器构成ZigBeen通采集水位传感器返回电压值行计算应AD值水位公式计算出前水位值通zstack协议栈数发送协调器节点协调器部分分：OLED显示模块电源供电模块稳压模块键模块蜂鸣器报警模块GNSS模块中显示屏显示目前测试中6传感器节点传回水位信息显示报警水位值键设置报警水位水位高设定预警水位蜂鸣器进行报警协调器水位信息GNSS读取定位信息通GPRS发送服务器服务器端设计软件服务器取出数进行解析数通界面显示动画模拟水位显示出图45传感器节点水位采集
图45 传感器节点水位采集
协调器部分图46示：
图46 协调器节点图
终结果传服务器设计软件读取传服务器数解析模拟动画水位信息图47示：
图47 位机模拟显示水位图
五总结
课题研究江河防汛预警系统系统基zigbeen进行组网通液位传感器采集液位高度数通ZStack协议栈发送协调器协调器收集数进行报警阈值设定实时报警GNSS数水位数通GPRS传输服务器位机读取服务器数进行实时显示通动画模拟水位信息设计中负责硬件设计水位采集次设计熟练掌握altium designer电路板设计软件解AD转换zigbeenZStack协议栈解液位检测原理应次毕业设计理实践相结合工作学中做
参考文献
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江河防汛物联预警系统硬件设计
学 院：
专 业：
姓 名：
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学 号：
职 称：
中国·珠海
二○ 年 月
诚信承诺书
郑重承诺：
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承诺签名：
日期： 年 月 日
江河防汛物联预警系统硬件设计
摘
科技水发展推动社会生活水发展重力量现电子技术愈愈成熟工智成时代流热便物联网目前物联网已成发展流物联网技术顾名思义需实物网络通信现方面技术科技水样变前更加成熟江河防汛古直解决重问题防洪防汛仅保证生命财产安全利水进行灌溉种植养殖等生活中重环节推动社会济发展缺环文研究基物联网技术防汛预警系统仅实时监测水位时实施报警远程水位进行实时监控端时知水位信息知否预警进够时采取步措施文研究江河防汛预警系统分两部分：
1 基zigbeen组网水位检测终端节点传感器节点处zigbeen通水位传感器器水位进行检测输出信号模拟量zigbeen通AD转换输出电压值根公式计算出应水位高度然通ZStack协议栈数传输协调器节点
2 协调器节点接受终端数进行处理节点水位信息OLED显示出子节点数设置报警水位值进行超阈值进行预警外协调器读取GNSS定位信息水位数定位数通GPRS发送远程服务器端服务器端接受数设计软件进行服务器取数数显示设计界面采动画形式模拟水位信息
关键词：江河防汛物联网zigbeen水位检测
River Flood Control IOT Early Warning SystemHardware Design
Abstract
Science and technology level of development is an important factor in the development of the society and people＇s living standard now more and more mature electronic technology and artificial intelligence became the mainstream of The Times recently there is a big hot is the Internet of things the Internet has become the mainstream of development the Internet of things technology as the name implies is the need to physical and network communication and now this technology is become more mature than before science and technology level
Flood control has been an important problem to be solved since ancient times
Flood control not only ensures the safety of people＇s life and property but also facilitates irrigation planting farming etc It is the most important link in people＇s life and an indispensable link in promoting social and economic development
The flood prevention and warning system based on the Internet of things technology studied in this paper can not only monitor the water level in real time but also give an alarm in time It can also monitor the water level in real time at a remote location and get the water level information in time at the back end so as to know whether to give an early warning or not so as to take the next steps in time
The flood prevention and early warning system of rivers studied in this paper is mainly divided into two parts
1 The water level detection based on zigbeen network the terminal node is the sensor node zigbeen by water level sensor to test the water level the output signal for analog zigbeen through the AD transform to get the output voltage value then according to the formula to calculate the corresponding water level and then through the Z Stack protocol Stack to transmit data to the coordinator node
2 The coordinator node to accept all the terminal data processing the water level information of each node on the OLED display then each child node data comparing and set the alarm level values if more than threshold criterion for early warning in addition to the coordinator read GNSS positioning information and then water level data and positioning data through GPRS sent to the remote server
After the server side receives the data the designed software takes the server number displays the obtained data on the designed interface and simulates the water level information in the form of animation
Keywords River flood control Internet of Things zigbeen Water level detection
目 录
绪 1
（）研究意义背景 1
（二）国外研究现状 2
（三）研究容章节安排 2
二江河防汛预警系统水位测量通信技术研究 3
（）水位传感器简介 3
（二）Zigbee线传感器网络 5
（三）GPRS技术 8
三江河防汛预警系统硬件设计 9
（）zigbeen系统设计 9
（二）节点电源部分设计 10
（三）蜂鸣器报警模块设计 11
（四）液晶显示电路 12
四江河防汛物联网预警系统综合测试 12
（）zigbeen组网调试 12
（二）GPRSPC服务器远程通信测试 14
（三）位机水位检测预警测试 15
五总结 17
绪
目前物联网数字信息时代越越火涉应领域愈愈广泛功更加全面着工智出现发展物联网越越智化文设计江河防汛预警系统基zigbeen进行水位检测预警数采集通网络通信发送前端
（）江河防汛预警系统研究意义背景
科技水发展推动社会生活水发展重力量现电子技术愈愈成熟工智成时代流热便物联网目前物联网已成发展流物联网技术顾名思义需实物网络通信现方面技术科技水样变前更加成熟设计毕业设计江河防汛物联预警系统研究课题选题具意义：通科学技术应次毕设江河防汛物联预警系统操作理更加科学化规范真正体会科技发展现实生活带方便舒适
监测环境参数支持水利工程理WSN概念成功应领域全球水利工程系列问题必须采效方法水讯进行监测预警仅助提高水利生产率维护该区域生态衡现水通常宝贵资源事物两面性水具危害例江河水域旦出现汛期周围生态造成严重危害该水域工业农业造成影响更危害生命
前水文信息监测预警国直非常关注监测技术方式相落偏远水域区水文数然传统方法识分析评估水文环境基础进行点程度预测出现利情况进行预警素参符合现代水文监测求然量数变化规律忽视性质处理数相费时困难数测量方法旧存缺点难点致法时发现终导致法全面客观表达出水文信息变化规律实际情况出现危险法做出时判断预测
课题研究江河防汛物联预警系统正式应类问题通该系统效水文信息进行实时关注特防汛角度效起预警作监测预警程需数传递该预警系统网络传输设计显格外重
WSN应非常流行常线技术包括线技术GPRS数字线电台移动通信卫星通信等存局限性现ZigBee技术越发成熟相种方法ZigBee技术拥巨优势ZigBee技术江河防汛物联预警系统中满足水文监测信息化网络化需求拥成低功耗低稳定性易优势覆盖范围江河防汛监测预警技术未出具体参考
（二）国外研究现状
江河防汛物联预警系统研究关国家数量少美国日该领域中杰出成果国家美国直研究通信进行测量系统相先进特动水文监测卫星通信监测广泛着线传感器通信技术发展SUTRON企业授权深度开发新型水文防汛预警系统该系统极先进线传感技术监测型水体环境信息数传递方法利侧重监测传输网络建设该网络完成水文数处理程
美国外日作岛国水文信息监测预警成熟预警信息针海洋区域日优秀传感监测设备利稳定传输方法传输水文数时日陆区已建设量雷达雨量监测站面水量监测站江河水位站整陆范围记录水文信息监测中心遥测系统传输水文数全国范围水闸信息收集非常快速实时播报监控中心便知道水闸站状态进行实时控制终实现全动监守该系统成功应该处该行业前列
国外研究江河防汛预警方面直走前面系统集成系统设备技术手段相完整通信技术断发展该方法确保监测预警系统准确
外国情况江河防汛预警研究国落历三阶段：第阶段开发阶段网络阶段处理水文信息资源达信息化求早1980年面年相关研究已开始进入正轨年代传感器相关技术发展时候开始研究利传感器读取水位2000年左右电脑相关技术水通讯技术显著提升意味着江河防汛已物联网发展适应防洪合理调度水资源需水文信息智化网络化
国水利部早2006年江河防汛预警更高求提出新发展思路通水利部省市水文信息网络传输水文信息动收集传输接收处理分析信息化方式进步发展防洪防洪预报建设实现稳定水讯预警系统
国目前然江河防汛预警方面直发展取进展发达国家相然较长距离系统尚未完善信息收集传输方法技术相满足快速准确实时监测求
（三）研究容章节安排
1通查阅资料解前行业前防汛物联预警技术产品发展状况
2培养学知识现实相联系力
3次毕业设计中负责工作选择水位传感器传感器节点硬件电路设计调节传感器节点程序
4具报警功水位超限者限时报警
5传感器非电量信号转换成电量信号设计中选什传感器济性性准确性方面考虑
文分五章节江河防汛物联预警系统网络传输部分设计进行阐述：
第章介绍江河物联预警系统整体研究背景研究意义分析该系统网络传输部分设计基础理工作原理进行总结然说明文研究容章节安排
第二章该系统水位检测部分网通信涉原理进行分析中液位传感器检测原理基Zigbee线通信技术
第三章整体硬件进行设计包括zigbeen系统电源部分报警部分液晶显示部分
第四章结合硬件软件层两方面进行联合调试实验出结分析
第五章课题设计进行总结
二江河防汛预警系统水位测量通信技术研究
（）水位传感器简介
水位传感器分种应领域言运水库水位测量江河处防汛防旱测量原理分种：
1运超声波知识设计传感器
原理传感器发出超声波然水面反射传感器探头计算反射时间超声波空气传输速率已知根
sCt∕2 （21）
根公式S
种传感器范围行设计
传感器输出电流信号4~20mA
图21 水位检测基超声波原理图
2 基水压原理设计水位传感器
种方式水位传感器检测原理根水位形成水压根水压测水位
种传感器范围行设计
传感器输出电流信号4~20mA
图22 基水压设计水位传感器
3 水滴水位传感器模块
测量范围性价开发难度等方面素文设计采传感器水位水滴传感器仅开发难度规格相显巧检测原理根板子暴露导线采集水量根采集位置输出相应模拟量单片机采集模拟量公式函数转化相应水位数值
具体参数：
范围电压：直流3V5V
额定电流范围：低20毫安
工作时温度：10度30度
工作时湿度：1090凝结
模块重量：35g
板子尺寸：62mm x 20mm x 8mm
图23 液位传感器
接口说明
水位传感器连接扩展板A0号模拟脚
1+ (VCC) 接电源正极(35V)
2(GND) 接电源负极
3S 模拟信号输出
图24 液位传感器设计图
（二）Zigbee线传感器网络
1．ZigBee简描述
zigbeen局域网中节点根组网形式然相互间实现线通信跳级方式构成zigbeen组成局域网基zigbeen组成线传感器网络囊括项技术信息采集传输网络通传感器节点采集处理协作传输监测象种物理量信息传感器节点根组网形式然相互间实现线通信跳级方式构成zigbeen组成局域网数传输户终端实现类社会生产生活物理世界互联前线网务通信质量良情况高数吞吐率线传感器网络采集传输种物理信息针信息般求短采集周期通信速率线传感器网络考虑素关注问题布局方便体积量限情况延长网络生命周期
IEEE 802154 种低速率线单局域网标准EEE802154标准定义物理层PHY介质访问控制子层MAC成较低结构较简单具灵活吞吐量较低功率LRWPAN想实现种短距离通信数传输成低通信方案种通信方案具备协议简单灵活电池寿命合理安装节点方便等特质
图25 ZigBee协议栈架构
ZigBee协议栈框架图示EEE 802154基础搭建ZigBee联盟
定义网络层应层
11物理层(PHY )
里提物理层理解zigbeen需进行组网硬件支持文需协议栈硬件基础层实现相互间信息发送信号检测基参数调节等功物理层连接两层MAC层线通信层做工作层数传送层理工作
IEEE 802154 标准定义分工作868MHz915MHz24GHz频段三种物理层基带方式27物理信道信道覆盖三频段具体分868~8686MHz包含信道902~928MHz包含10信道24~24835GHz 包含16信道
节提物理层硬件通信协议协议栈更层做支持兼容采模型图中26绘制模型样图中知道层够层MAC层提供相应程序接口第说PDSAP第二说PLMESAP中文翻译物理层数接口翻译理接口物理层作控制通物理层发送数层软件设计中通程序调命令通两接口函数物理层发送发送数反物理层数够通两函数程序层发送数负责底层硬件电路理功射频电路理包括设备收发转换信道量估等工作
图26 物理层参考模型
12网络层(NWK)
ZigBee协议栈核心部分网络层节点设备退出加入需网络层实
现全功节点考虑接收节点入网者令离开网络路寻址等功时NWK层层应层提供数理服务
13应层( APL)
ZigBee应层分四层次结构包括应支持子层APSZigBee设备象ZDO
应框架AF制造商定义应象APS帧结构APDU两部分组成 APS帧头包含帧控制址域帧载荷APS帧传输效数
APS层网络层应层间接口提供数理两种服务两种服务分APS数实体APSDEAPS理实体APSME提供中APSDE负责网络设备间传输应层数PDU APSME负责设备发现AIB理等工作外数实体理实体间存访问接口理实体数实体提供服务应支持子层参考模型图27示
图27 应层参考模型
2．ZigBee网络拓扑结构
ZigBee线传感器网络组成星型树型网状三种网络拓扑结构种拓扑结构必须包含协调器设备图28示星型网络般包括协调器干终端协调器负责建立起PAN网络终端设备通选择协调器作父节点加入PAN网络终端设备设备通讯时需数包发送协调器该全功设备转发数包目终端设备
网状拓扑结构中样协调器路器终端节点等设备树状网络种拓扑较灵活需建立网络时限制网络形状网络节点间建立直接通信链路通全功设备中路表建立起网状路设备间通优路径通信网状网通信快捷灵活性强支持强路功全功设备核心处理器需更存储空间
图28 ZigBee网络拓扑结构
（三）GPRS技术
通线分组业务简称GPRS已GSM网络进行软硬件升级发展起线数传输业务GPRS通信资源利率高分组交换技术数分组收发户够享受高速线低服务成线通信服务GPRS技术覆盖范围广永久线传输效率高等特点工业领域广泛应尤远程监测中具种优势
GPRS网络通GSM网络中增加网关GPRS支持节点GGSN服务GPRS支
持节点SGSN实现系统结构29图示便携设备通线连接GPRS蜂窝电话通蜂窝电话信号塔进行通信信号塔GPRS数分组发送支持点
图29 GPRS网络体系结构
SGSNGSM网络中支持节点连接信号塔GPRS网络点电路交换方式数呼通移动交换中心MSC连接网络SGSNGGSN间采GPRS隧道协议GTP实现X25者IP分组封装两者间进行数传输GGSN网关节点负责数进行处理发送特网GPRS网络实现数网络互联
三江河防汛预警系统硬件设计
江河防汛预警系统硬件设计包含7节点6终端节点采集水位信息数处理数发送协调器节点协调器节点功6子节点进行zigbeen组网形成局域网读取6子节点数实时显示协调器节点设置报警阈值进行水位实时报警GNSS信息水位信息发送服务器端总体结构框图图31示
图31 预警系统总体结构图
（）zigbeen系统电路硬件设计
Zigbeen系统简单说分两部分控芯片模块RF模块zigbeen进行数相互传递线通信硬件基础zigbeen系统中采晶振电路系统提供时间周期采晶振32MHz通信方式分串行通信控制RF模块实现zigbeen间线通信Zigbeen控芯片CC2530款芯片基网络协议符合 24GHz IEEE 802154外TI公司设计款芯片具特点具线射频力灵敏度相高干扰抵抗力重点够进行休眠进入低功耗模式尤适需低功耗情况宽电压输入236V8位MCU(8051)8KB RAM具8路输入配置分辨率12位模拟数字转换器(ADC)符合IEEE 80254标准MAC计时器常规16位计时器8位计时器AES128协作处理器
图32协调器硬件电路图
图32 协调器CC2530电路图
（二）节点电源部分设计
设计采电源供电电池供电电池电压9V协调器终端节点设计需满足节点稳定电压输出5V33V供电硬件设计方面需设计电源文采稳压芯片MP1584该电源设计调输出5V者33V供电满足两种节点供电
MP1584MP公司设计款够具高频够调节开关电源芯片电压输入端宽电压输入范围输入范围45伏特28伏特降压广泛汽车电子产业中静态电流100ua种功耗适合运低功耗电子设备中许带电池电子设备MP1584强抗电磁干扰力收音机等射频电子设备中广泛
典型应电路设计示：
图33 MP1584典型应电路图
设计根应电路进行原理图PCB绘制制作出MP1584电源模块图34示：
图34 MP1584电源模块图
（三）蜂鸣器报警模块设计
声报警电路电阻NPN三极S8050蜂鸣器组成蜂鸣器正极接VCC（＋5V）电源负极接三极集电极单片机P14引脚通限流电阻R9控制基极P14高电时三极导通电路接通蜂鸣器报警P14低电时三极截止蜂鸣器通路断开报警
图35 三极控制蜂鸣器报警图
（四）液晶显示电路
带中文字库128×64种具种串行接口方式液晶显示模块分辨率128×64 置汉字字符集功耗低体积厚度实现种显示优点系统仪器仪表中应[
]
电路图39液晶板接VCCGND单片机P0口P2口相连变电阻R1接度电位引脚该阻值决定液晶屏否显示阻值定区域值会显示1920背光电源引脚VCCGND相连时加变电阻DA控制调整背光亮度
图36 液晶显示电路图
四江河防汛物联网预警系统综合测试
（）zigbeen组网调试
设计ZigBee线传感器网络通信协议栈程序基IAR台开发利IAR编译软件方便协议栈程序进行线仿真调试图41示IAR台进行ZStack协议栈调试界面通拉菜单选择该程序终端路器协调器三种功ZigBee节点通改变协议栈中设备类型宏定义协议栈层执行代码实现
图41 ZStask协议栈调试
USB Dongle 抓包器TI公司Packet_ Sniffer 抓包软件捕捉空气中ZigBee线数包助ZigBee协议栈调试加深理知识理解
开Packet_Sniffer抓包软件连接抓包器终端路器协调器协议栈程序分载应节点CC2530芯片中设计调试时两终端节点路器节点协调器节点首先启动协调器节点通抓包软件ZigBee协调器发送帧信标请求帧时周围存全功节点会回复信标帧协调器通信标帧判断周围网络情况创建网络做准备协调器创建网络成功会隔段时间(默认15s)发送网络连接状态帧帧里面携带协调器址0x0000创建网络PAN ID
ZigBee线传感器网络理知识结合抓包软件图42直观出终端节点路器节点入网前行相会直发送信标请求帧时周围存全功节点会回复信标帧需入网节点信标帧判断周围网络情况根信标帧中信号强度等指标选择佳父节点请求加入网络新节点通信号质量等标准选择合适父节点决定入网时会发送包含节点MAC址数帧父节点请求加入网络父节点收请求硬件回复应答帧然新节点该父节点发送数帧求父节点机分配网络址发送新节点父节点收请求硬件回复应答帧接着机分配网络址发新节点时新加入网络节点知道网络址少指定目标址时候MAC址子节点收网络址硬件回复应答帧新节点加入网络会整PAN网络广播网络址宣告入网
图42 ZigBee节点通信抓包分析
终端节点路器节点入网行入网终端节点隔段时间会父节点发送数请求帧告知父节点然网络中父节点接收子节点发数请求帧会底层硬件动回复应答帧路器节点作全功设备允许新节点加入网络入网会协调器节点样隔段时间发送网络连接状态帧便设备发现节点网络
根捕捉线数包出网络址0x0000(协调器节点)设备广播网络连接状态帧网络址0x52EA网络广播网络连接状态帧节点显然路器节点网络址0x72A7终端2父节点0x52EA路器发送数请求帧网络址0x65DE终端1父节点0x0000协调器发送数请求帧前网络拓扑结构图43示
图43调试节点网络拓扑结构
（二）GPRSPC服务器远程通信测试
实现GPRS模块PC机通信需映射软件配置网映射AT指令GPRS模块配置网络透传模式图64示单独调试GPRS模块时串口调试助手GPRS模块发送配置指令数网络调试助手PC机IP址端口号6666 进行侦听花生壳软件配置端口映射通GPRS模块发送域名17077jy054iaskin端口32707数会达PC机
图44 GPRS模块PC机远程通信调试
（三）位机水位检测预警测试
设计位机基zigbeen组网进行局域网通信传感器节点部分zigbeen模块电池供电稳压模块水位传感器构成ZigBeen通采集水位传感器返回电压值行计算应AD值水位公式计算出前水位值通zstack协议栈数发送协调器节点协调器部分分：OLED显示模块电源供电模块稳压模块键模块蜂鸣器报警模块GNSS模块中显示屏显示目前测试中6传感器节点传回水位信息显示报警水位值键设置报警水位水位高设定预警水位蜂鸣器进行报警协调器水位信息GNSS读取定位信息通GPRS发送服务器服务器端设计软件服务器取出数进行解析数通界面显示动画模拟水位显示出图45传感器节点水位采集
图45 传感器节点水位采集
协调器部分图46示：
图46 协调器节点图
终结果传服务器设计软件读取传服务器数解析模拟动画水位信息图47示：
图47 位机模拟显示水位图
五总结
课题研究江河防汛预警系统系统基zigbeen进行组网通液位传感器采集液位高度数通ZStack协议栈发送协调器协调器收集数进行报警阈值设定实时报警GNSS数水位数通GPRS传输服务器位机读取服务器数进行实时显示通动画模拟水位信息设计中负责硬件设计水位采集次设计熟练掌握altium designer电路板设计软件解AD转换zigbeenZStack协议栈解液位检测原理应次毕业设计理实践相结合工作学中做
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