自來水控制系統無線通信論文
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0引言
傳統的城市自來水控制系統是采用壓力控制，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的自來水控制系統一直保持高水位狀態，浪費一定的水資源。最近幾年，無線通信技術很快的發展起來，應用到生活的方方面面，其中以其連接方便、自組網、功耗低、投資低等特點，是實現智能自來水控制系統的理想選擇。針對城市自來水控制系統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；針對傳統自來水系統的不穩定、可擴展性差、能耗高等特點，提出基于Zigbee無線傳感器網絡技術的智能自來水控制系統。合理優化的控制結構能節約能耗，分布式控制系統采用分級遞階的體系結構，能夠使整個系統在優化的環境下運行。針對現有自來水控制系統存在的問題，本文開發了一種基于無線通信系統的自來水遠程分布式智能控制系統。該系統安全可靠、能耗低、可擴展性強、易于控制。智能控制終端用Zigbee組網實現對自來水壓力的分布式智能控制，GPRS模塊和網絡通信結合，通過遠程控制中心的上位機連接網絡實現遠程控制。
1硬件結構
本文提出的無線通信系統的自來水遠程分布式智能控制系統主要包括：遠程控制系統、GPRS/Zigbee通信傳輸系統、終端控制系統3個部分組成。遠程控制中心通過上位機軟件系統對自來水系統進行遠程控制；GPRS/Zigbee通信系統主要包括GPRS傳輸模塊、Zigbee協調器等組成；終端控制系統包括無線模塊、調節水壓模塊等組成，無線模塊是控制終端的核心，由其產生PWM脈沖信號，控制調節自來水的水位。采用GPRS和Zigbee無線組網方式實現自來水水壓的遠程控制，體現了GPRS網絡傳輸距離遠、傳輸速率快的優點和Zigbee自組網、時延短、容量大的特點，控制方便、系統擴展性強，降低成本投入，很適合自來水遠程智能控制。GPRS模塊能穩定可靠的控制整個系統，通過它實現GPRS和RS232串口之間的數據遠程傳輸，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數據通信、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GPRS和RS232之間的數據傳輸。Zigbee模塊在系統中很重要，主要有CC2530控制芯片、CC2591功能放大芯片和外圍器件組成。CC2530是一款工業級體積小的高效單片機，單個芯片上整合了Zigbee射頻前端、內存以及微控制器。但CC2530的通信距離有限，加一個CC2591加大節點間的通信距離，降低通信延時和增強信息傳輸的穩定性。Zigbee無線網絡包含設備終端節點、協調器節點。協調器節點有一個Zigbee模塊和RS232組成，接收信號并傳輸到Zigbee網絡部分。
2軟件結構
2.1Zigbee的自組網
Zigbee主要包括3種拓撲結構：星型拓撲、樹狀拓撲和網狀拓撲。協調器節點用來創建Zigbee網絡，具有維護功能，監控其它設備的入網許可，管理整個Zigbee網絡；路由器節點完成數據包的轉發，保障數據快速高效的傳輸，提高數據的傳輸速率；終端節點實現具體的控制功能，并反饋數據，樹狀拓撲和網狀拓撲雖然能處理復雜的數據，但是這樣增加了能耗和數據傳輸的延時性增加，星型網絡結構簡單，容易搭建網絡，擴展容易。因此，我們選擇星型拓撲結構來組網。系統采用MSSTATE_LRWPAN協議棧組建Zigbee無線網絡，先讓協調器節點通過網絡平臺建立Zigbee無線網絡，然后進入無限循環運行狀態機，監控外來入網信息，其它節點發送入網需求后，通過網絡平臺加入網絡，運行，通過APP_STATE_RUN_APPn執行應用程序。
2.2系統的控制
系統控制軟件應用C語言編寫，通過GPRS實現數據的遠程傳輸。網絡通過SOCKET技術建立與GPRS模塊的通信連接，包括通訊連接、終端遠程控制、網絡維護、數據維護等模塊。控制界面能很好是監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節水壓，可以采用編號的形式控制每個智能終端，方便快捷實現自來水終端的遠程智能控制。
2.3協議分析
GPRS傳輸協議通常是TCP/IP協議，數據包的協議分為數據頭、事件號、上/下行、長度、源端點、目的端點、控制位、功能位以及數據尾。
3實驗結果分析
實驗對基于無線通信系統的城市自來水遠程分布式控制系統進行驗證測試。包括內容是GPRS網絡的建立，Zigbee無線網絡的搭建和組網以及供水功能是調節實現。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結束語
本文運用無線通信系統中GPRS網絡進行遠距離傳輸以及傳輸速率快的特點，接合Zigbee自組網的低功耗、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，滿足城市自來水的智能化、節能化和網絡化等的需求，實驗結果表明了此遠程控制系統穩定可靠、方便靈活、易于擴展等優點，對于人們的日常用水有一個更好的保障。
作者：張金良