无线水位监测系统的设计与实现

第一章绪论我国洪水灾害频繁，给国家和人民生命财产造成了重大损失。为增加洪水有效预见期，提高水文预报的精度，及时准确地为防汛和水利水电调度提供科学的依据，20世纪70年代我国开始建设水情自动测报系统。水位测报系统对充分发挥防汛减灾，合理利用水资源具有十分重要的意义。水情测量数据是重要的水文参数，水位测量的精度和实时性，直接影响到水库防洪平安、发电灌溉等。我国水资源不平衡，幅员辽阔，地理环境复杂，地区经济开展不平衡，水位测量工作仍存在一些困难。在大型发电站、重要水文站水位测量技术相对先进一些，而普通的报汛站和水文监测站的测量技术仍处于比较落后的状态，水文站测洪能力不适应监测大规模洪水的要求。至90年代初，我国很多地方水文测报设施经过几十年的运行，大多处于陈旧老化的报废状态，出现了设施破烂不堪、难以承当日常水文测报工作的局面。近年来，在国家计委和水利部的关心下，我国水文建设工程增多，建设步伐加快，使得水文测报设施破旧落后的状况得以改善。但距离水文工作现代化还有很大的距离。在新形势下，水位检测要求稳定和准确，传感器必须准确的检测到水位信息，并通过变送器把水位数据准确无误的呈现给观测人员。因此传感器能否准确地检测水位、稳定运行就成为了关键。有些国家水位监测技术依然处于比较落后的状态，在很多地区的河流、湖泊或水库，还在使用比较落后的监测设备，有些地方还在通过人工采集水文数据，这显然不能满足现代化水位监测的要求。水文监测有它特定的应用背景，一般都在比较偏僻的区域，这使得很难通过架设有线来完成数据传输，在这种情况下，使用无线通信是一种很好的选择。当前使用的GPRS、GSM、微波和数传电台等都有一定范围的使用，但它们都有其适用的局限性。随着无线传感器网络概念的提出，以及水文监控网络化的需求，ZigBee技术在水文监测领域的应用成为了可能，并具有其它几种无线技术不可比较的优势。2.国外水位监测技术开展现状20世纪70年代后期，随着微型计算机和单片机的出现和开展水位监测技术有了较快的开展。1976年美国SM公司与美国气象局合作研制的一套水位自动监测设备。80年代以来，由于遥控设备、数据传输方式和微机技术的进一步开展，水位监测和防洪调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。90年代以后，国际上多家公司退出了功能强、应用范围广的产品，在水利水电、气象等领域都适时得到应用。在国外，美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国家。美国既是工业先进、通讯、交通网非常兴旺的国家，又是幅员广阔、人口密度不均的国家。因此各种制式、各种通信方式的测报系统均比较兴旺。其中自报式超短波系统、卫星平台获得广泛的应用，而且美国是大面积使用流星余迹通信进行水文遥测的唯一国家。使用卫星的系统如极轨卫星环境数据(包括水文数据)收集系统ARGos系统，及大量气象同步卫星平台，均可进行水文数据传输。近年美国的suTRON公司被美国海洋和大气局(NOAA)授权研制下一代水位测量系统州GwLMs)。该系统将会集成目前的海平面及大流域测量网络，用最先进的传感器，卫星传输手段，集中数据处理及接收。日本在37万kmZ的国土面积上，建有26个雷达雨量站，2500个地面雨量站和2100个水位站，观测范围覆盖整个日本。这些测站采用先进的监测设备，数据通过遥测系统传输到工事事务所，收集全国的水文信息仅用10分钟，且每小时更换一次信息，事务所也可以通过监视器观察测站的运行情况。所有测站均实现无人值守，其监测系统集成化和综合程度比较高。对于水文监测系统的开发和研制，国外兴旺国家始终处于领先地位，其特点是:系统开展比较完善，传感器测报设备先进可靠;通信方式多样化且十分先进;分析预报技术成熟并积极采用各种先进的技术。在监测设备方面，国外的数据采集终端除了具有数据的自动采集、存储、处理和传输这些根本功能外，在传感器集成、多参数采集、监测设备智能化方面技术也比较成熟。水位监测技术开展现状我国水文监测系统的建设包括三个阶段:初级阶段、开展阶段和网络化阶段。二十世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。水文信息化从1980年开始，起步于信息源的处理。八十年代中后期开始的十余年为开展期。九十年代后期，为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算机和网络技术高速开展的时代特点，水文监测系统的建设进入了网络化阶段。2001年，水利部印发了《全国水利信息化规划纲要》，提出了全国水利信息化的开展思路。在水利系统的信息化工作中，防汛信息系统建设起到了先锋带头作用。目前，从水利部机关到各流域、各省市实现了水情、雨情信息的网络化传输，实现了信息的自动化接收、处理和分析。在国家防汛指挥系统工程工程的总体设计中，提出了在全国将建立224个水情分中心、228个雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定规模的水情、雨情信息自动测报系统。我国的水文监测系统建设经过近三十年的开展经验积累，虽然已经取得了巨大的进步，但总体来说，大局部地区的水文监测系统的建设还不够合理和完善，整体水平仍相对落后，与西方兴旺国家还存在着很大的差距，信息采集、传输手段和技术比较落后，信息时效性差，不能满足当今对水文数据实时、快速、准确监测的要求。本文分七章对基于ZigBee和GPRS的无线水文监控系统进行了分析和设计，主要章节内容安排如下:第一章，首先论述了本课题的背景背景和意义，然后介绍了国内外水文监测技术的开展现状，接着分析了水文监测系统中常用的几种无线组网技术，提出了ZigBee无线水文监控系统中的应用方案，最后对论文的结构安排进行了说明。第二章，对IEEE802.巧.4网络协议标准的PHY和MAC层进行了分析，然后介绍了ZigBee协议栈的结构，为以后的设计打好根底。第三章，从系统的功能和性能需求分析出发，提出了系统的总体设计方案，对系统的组成、工作原理和系统特点等方面进行了详细的分析。第四章，对网络协调器节点的硬件进行了分析和设计，分为最小系统设计和外围接口电路设计两局部，对各个电路的芯片选型、特点、电路设计原理等进行分析和介绍，并给出了各个电路的电路原理图或示意图。第五章，对网络协调器节点的软件进行了分析和设计，首先提出了软件的整体结构，然后依次介绍了软件开发环境的建立、林c/os一n嵌入式操作系统在LPc2210上的移植、SMAC协议栈的移植、系统应用程序的设计等。其中，系统应用程序设计中，对系统任务进行了划分，分析了任务间的通信方式，然后对各个任务进行了详细的分析和设计，并给出了软件的流程图。第六章，给出了ZigBee在水文监测系统中的应用实例，首先分析了传感器终端节点的设计，对水文传感器进行了选型，然后分析了终端节点的软件设计，最后，从通信距离数据传输丢包率两个方面对该应用实例进行了实验和性能分析。第七章，对本论文研究工作进行了总结，并对系统今后进一步的工作进行了展望。国内外研究现状随着嵌入式技术的飞速开展，无论是在国内还是国外，嵌入式技术都己经得到了广泛地应用，其可靠性也得到了广泛地验证[3]。嵌入式技术应用于水利土木监测领域，为各种平安监测提供了强有力的技术支持。但是国内外这方面的研究成果还是具有一定的差距。主要表达在，国际先进水平的水利土木平安监测系统，己经得到了广泛的应用，形成了一定的市场规模和占有率。国际上处于领先水平的技术相对于国内技术的优势在于:传感器技术更先进，监测系统的整体设计能力更强，从业公司比较多，市场认知度比较高。国内这方面的研究目前开展的也很多，开展相对来说也很快，市场前景也比较看好。嵌入式平台大多都是兴旺国家提供的产品，国内在平台设计方面比较落后，但是本研究室也能够接触到国际上比较先进的嵌入式平台，能够为系统构建良好的硬件根底。在无线通信技术方面，也可以接触到国际上比较先进的无线通信技术。实际工程中常用的水位传感器主要有以下几种类型【，，4，5，6]:1浮体式水位传感器这类传感器是根据水的浮力来实现水位采样的。它的结构特点是必须有浮体浮于水面。其采集水位信号的原理是:浮体浮于水面随水升降，同理浮体随水位移的信号，通过浮体以一定方式传递出去，实现水位采集。浮体式水位传感器依据浮体传递水位信号方式的不同，又可划分为不同种类。浮子式光纤水位传感器是一种常见的浮体式水位传感器。浮体式水位传感器的主要缺点有两个:一是冬季结冰时无法正常工作;二是无法在流动的水中测量水位，需建测井。2压阻式水位传感器水具有压力，并且水的压力与水的深度成正比，利用水的这一性质采集水位信号的传感器，被称为压阻式水位传感器。压阻式水位传感器水位取样的根本原理是基于单晶硅材料的压阻效应。也就是说，半导体单晶硅在受到水的压力后，其电阻会发生改变，且改变量与水的压力成正比。压阻式水位传感器灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非电量测量技术中非常重要的检测手段。这类传感器的主要缺点是，在大应变状态中有较明显的非线性，输出信号弱，故抗干扰能力差。3传热式水位传感器这类传感器是基于水的导热特性而研制的。水的导热速度与空气相比差异很大，假设将功率一定的发热体分别置于水及其同温的空气中，发热体外表的温度显著不同，即发热体在水中的外表温度低于其在空气中的温度，发热体功率越大，差异就越明显。这种根据传热原理研制的传感器，是将水位测量转化为温差测量。这种传感器能满足可靠性的要求，但精确度较低。4超声波水位传感器超声波水位传感器是根据水能传播声波的特性研制的。超声波水位传感器采集水位信号的原理是:传感器内部放射源向水外表发射超声波，水反射局部回波，这种反射波被同一传感器探测，并转换成电信号。这种传感器适用于腐蚀性液体的测量。5导电式水位传感器自然界的水具有导电性，人们利用水的导电性研究出了各种水位传感器，人们把这些水位传感器统称为导电式水位传感器。这类传感器采集水位信号的根本原理是利用水的导电性将水位信号转换成电信号。转换方式有两种:一种是将水位变化转换成电容变化;另一种是利用水位变化与电极接触，来实现水位信号到电信号的转变。根据水位信号转换成电信号的不同方式，导电式水位传感器可分为两种类型:·电容型和电接触型。(1)电容型水位传感器这种传感器是利用的水的导电性，把水构成电容器的一个极板，将水位变化转换成电容变化来检测水位信号的。电容式水位传感器的测量电路常见的有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。与其它水位传感器相比，电容型水位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、对恶劣环境适应性强等优点。(2)电接触型水位传感器电接触型水位传感器是依靠水的导电性来采集水位信号的。它利用水的导电性，通过水位变化与相应的电极接通，把水位信号转换成电信号。依靠电极与水接通拾取水位信号，也是这种传感器的特点。电极用金属材料制成，纵向依次排列在空芯棒外或安装在棒内，但必须使电极能够与水接触。电接触型水位传感器结构简单。安装使用都很方便、性能较稳定、价格低廉，因此备受用户欢送。经过几十年的开展，水位传感器的种类繁多，但能够在水位数据的采集时就实现数字化的却很少见，太原理工大学测控技术研究所马福昌教授等人研制的MFC系列水位传感器就是其中较为突出的一类，该类传感器现在仍居国内外领先地位。“感应式水位传感器”就是是其中的一种，该传感器应用数字化数据采集的新技术，采用全数字化电路，通过刻度采集水位信号，从开始采集水位信号就实现了数字化，经过内部电路处理，输出电流信号，由于从采集水位信号到输出的信号是全数字的，数字信号受温度的影响很小，不但解决了微弱信号抗干扰的问题，而且也根本克服了温度漂移问题。传感器信号输出采用国际数字信息化网络标准接口电路。目前流行的无线传输技术(l)数传电台(dataradio):借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电匕头口0(2)GPRs(GeneralPacketRadioservice)通用分组无线业务:一种基于包的无线通讯服务。GSM:第二代蜂窝移动通信系统，也是全球第一个对数字调制方式、网络结构和业务种类进行标准化的数字蜂窝移动通信系统。(3)无线射频身份识别系统(RadioFre明eneyIdent饭cationSystem，简称RFn〕):邵ID是针对常用接触式识别系统缺点加以改进。(4)蓝牙技术(bluetooth):一种无线数据与语音通信的开放性全球标准，它以低本钱的短距离无线连接为根底，可为固定或移动的终端设备提供廉价的接入效劳。川(5)红外线通讯技术(LDA):一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。(6)NFC(NearFieldCommunieation，近距离无线传输):由PhiliPs、NoKIA和Sony主推的一种类似于R日D(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。(7)ZigBee技术:zigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和开展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。(8)Wi一Fi技术，wi一Fi(WirelessFidehty，无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称是正EESO2.llb，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。水位监测属于水利土木平安监测的一个分支，是一项有重大实际意义的研究课题。目前，随着嵌入式技术和无线通信技术的飞速开展，水利土木平安监测手段也同样得到了快速的开展。从最早的人工观测，到使用电缆传输数据的有线观测方法，再到现在的无线监测系统，可以说新技术层出不穷。国内外己经有大量的文章研究了将嵌入式技术应用于平安监测领域的课题，也有了很多相关产品的问世。第二章系统总体设计方案在感应式水位传感传统应用中，需要给传感器接上电源线、地线和信号线，即使用户不需要水位数据，传感器也始终处于工作状态。这样一来传感器的功耗很大，而且当水位监测点比较分散，地理环境恶劣时电缆安装将十分繁琐，并且安装电缆本身就会增加本钱，还会给未来的检修和维护带来很多麻烦。介于如上问题，本系统的设计思路是:(1)采用无线通讯和太阳能供电，无需安装电缆。(2)采用低功耗的微控芯片和无线传输方式，在硬件上降低功耗。(3)控制系统处于“休眠”和“唤醒”状态，平时下位机处于“休眠”状态，当用户需要水位数据并向下位机发出水位采集命令时，下位机才被“唤醒”，从工作方式上降低功耗。(4)测量下位机功耗和太阳能电池板、蓄电池的供电能力，为下位机选择最为经济而且满足系统能够长期正常可靠工作要求的太阳能电池板和蓄电池。系统总体设计方案在工程开始之前，首先认真分析了用户的实际需求，确保用户提出的需求是可以实现的，接着实地考察了大连站北广场的地形结构，然后综合考虑本研究室的技术实力、产品开发周期、产品本钱、产品维护以及升级的方便程度等因素，提出了本文的设计方案。1系统总体设计无线数据传输水位监测仪要求是长时间无人职守的监测系统，需要及时采集数据，即从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。监测仪的水位传感器的量程范围为0-2m；水位分辨率为lmm；在采集数据后，系统需要将数据传向远端效劳器。系统应用一种高性能、低功耗的单片机，对各个局部进行自动控制，以降低仪器的整体功耗。定时局部完成监测周期的时间设定。当定时时间到达时，仪器内部的自控电路将自动接通单片机、传感器、放大器和A/D转换器的电源，依次选通各路模拟信号，完成放大和A/D转换，并将A/D转换后得到的数字信号经单片机的数据总线调入单片机内部，由单片机处理后存入RAM〔数据存储器〕内保存。当通讯程序启动后，按照通讯程序的指令将存储器内的数据进行发送，或按指令将计算机的当前时间及下次数据采集时间和间隔下传至时钟芯片或相应的存放器中。系统设计原理如图1所示2系统器件选择2.1MSP430系列单片机选择MSP430系列单片机是美国德州仪器公司〔TI〕近几年开发的新一代16位单片机，具有强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片上外围模块、方便高效的开发环境、多种时钟模块，适应工业级运行环境。其突出优点是低电源电压、超低功耗、较高的性能价格比，非常适合各种功耗要求较低场合的应用。该系列单片机典型应用是智能仪器仪表、医疗设备、保安系统和家电等方面。本系统采用MSP430F149单片机。2.2GSM模块目前，我国已根本上建成了可以覆盖全国大多数省区面积的移动通讯网络，特别是在人口众多、经济兴旺的城市周边地区，移动通讯网络覆盖面积几乎接近100%。TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，自带RS-232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯，可以快速、平安、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息效劳(ShortMessageService)和。TC35—5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。水位监测仪的传感器长期置于水井内，一般的传感器极易结垢和腐蚀氧化。故传感器的主体材料应为特制合金，工作环境的水温要求在－20～60℃之间。压力式水位传感器的输出为4～20mA〔4mA对应最大水位，20mA对应最小水位〕电流信号，只需二芯电缆即可传输该信号，且压力式水位传感器体积小巧，一般其直径约为30mm，长度约为150mm，安装时只要简单地将其投入至水中即可。即使为了保护传感器免受外力损坏，也只需用直径为50mm的镀锌钢管作为护套，费用较低，故决定选择压力式水位传感器，如图3所示。TCYB系列投入式扩散硅压力变送器选用著名美国ICSensors公司高精度、高稳定性扩散硅压力传感器组件，变送器由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成，当外加压力时，被测介质的压力直接作用于传感器的压力芯片上，使压力芯片产生与介质压力成正比的微小位移，电子线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准工业测量信号，再经信号处理电路对其补偿、放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准电压输出信号，可直接与MSP430F149单片机A/D输入通道P6口连接，单片机的A/D转换模块将输入的模拟量转换为相应的数字量。原理如图4所示。3系统硬件电路设计通过系统框图可以看出：整个系统包括电源及复位模块、串口模块、A/D采集模块、控制模块、GSM模块和串行存储器模块。整个系统的供电电压为5V，单片机等芯片的供电电源电压为3.3V，而TC35的供电电源电压为压的供电电流必须能到达2A以上，这是由GSM模块的峰值电流所要求的。复位监控局部为系统在开机时提供复位信号，并监控系统工作的电压是否正常，当不正常时使系统复位，系统通过串口O与GSM模块接口，通过串口1与PC通信，在与PC通信时，需要考虑电平转换。系统通过单片机的A/D通道采集来自传感器的数据；通过控制继电器的状态来控制设备的工作状态。此外，系统通过串行存储器来记录数据。硬件系统主要包括电源模块、串口模块、采集控制模块、GSM模块、串行存储器模块及CPU控制模块。4系统软件设计主要由数据采集、通信两大模块组成，通信又为分GSM通信和PC机通信两种，设计上主程序由数据采集、与GSM通信处理两局部，而与PC机通信〔配置命令〕那么通过中断方式实现。主程序流程框图如图5所示。本文的无线节点按照用途可以分为终端节点、路由节点和基站。终端节点将采集到的信息无线发送出去,路由节点中继、转发接收到的信息,然后由基站交与计算机处理,图1是无线水位监测系统示意图1.1终端节点终端节点主要任务是采集、发送水位信息。液位变送器JYB-KO-TAG将水位信息转换成电信号,交与CC2430的14位模数转换的ADC进行模数转换,CC2430的8051微控制器核进行信息处理,最后由符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机射频发送水位信息。1.2路由节点路由节点开启CC2430的RF无线电收发机中继、转发来自基站的命令、来自终端节点的水位信息。路由节点的参加,组成无线网络,监测信息在这个无线网络中不断地延伸、传递,使通信距离增加,监控范围增大。1.3基站基站通过CC2430的串行通信接口(USART),与计算机进行通信,完成用户的命令指示,通过CC2430的RF无线电收发机与终端节点进行命令、采集信息的交互,完成水位信息的采集。2无线水位监测系统软件设计无线水位监测系统软件的设计主要由终端节点、基站和计算机监控软件设计发组成。终端节点接收基站命令,实施采集作业;基站功能是传达用户指令,收集终端节点信息;计算机监控软件主要是负责下达系统命令,监控水位信息,实施报警警示用户。2.1终端节点软件终端节点软件根据基站的命令进行相应的任务采集作业,然后将采集到的信息无线发送出去,这些信息包括水位信息、自身电量信号,其中节点信息包括电量信息,目的是便于用户维护系统,及时更换节点或者节点电池,其具体的软件流程图如图2所示。2.2路由节点软件路由节点负责信息的转发,包括基站的命令和终端节点的任务信息,并根据基站的命令采集自身的电量信息,以确定是否由其承当路由功能。软件的流程图如图3所示。2.3基站软件基站软件主要包括串口通信、无线收发两个模块。串口通信协议如表1所示。协议每个字节含义如下:(1)起始位:标识一个控制信息的开始,包括两个字节,分别设置为0x40和0x00。设备地址:标识信息的目标设备,根据实际情况进行设置。目前暂时定义为0x00为播送地址,0x01为采集设备地址,0x02为计算机地址。(2)功能码:标识信息的功能,0x01为采集频率控制,0x02为电压数值传输。功能码为0x01:数据位中数据为采集频率。当高位和低位全部为0X00时表示采集停止,否那么数据表示多少秒采集一次数据。功能码为0x02:数据位中数据为电压值,数值为实际电压值的1000倍。(3)数据位:包括数据高位和数据低位,首先使用数据低位。(4)CRC校验:对起始位、设备地址、功能码和数据位进行计算得出的8bitCRC值。基站软件根据以上的通信协议与计算机通信,并根据相应的命令,转发给终端节点相应的任务,然后接收终端节点的采集信息,其流程图如图4所示。2.4计算机监控软件为了更直观、及时地了解水位信息,采用VisualC#开发了无线水位计算机监控软件,如图5无线水位计算机监控软件主界面所示,在尾矿库的水塔中布置液位变送器,在塔顶安置终端节点,监控室离监测点比较远,中间增加了路由节点,在监控室安装基站,完成与计算机通信,软件功能还包括从串口获得采集节点和路由节点的数据信息,根据这些数据以及用户的设置,实时图形显示水位、各个节点状态、通信状态、各个节点的电池电量以及水位报警和电池电量报警等信息,很好地完成了水位信息的监控。本研究室有较多的水利土木平安监测方面的实际工程经验，水位监测方向的课题，以前也有过一定的研究和实践。所以，用户提出的建立水位监测系统的需求，本研究室利用己经掌握的嵌入式技术可以很好的满足。首先是传感器方面，压阻式传感器和超声波液位仪都是经过实际验证的可靠的水位传感器，可以根据不同的地理环境和用户的不同需求，分别使用它们。其次，嵌入式平台方面，本研究室已经有了较为丰富的16/32位嵌入式开发经验，能够根据用户的不同需求，构建最适宜的嵌入式平台满足用户的需求。然后是无线通信技术方面，因为站北广场面积比较大，地形结构复杂，有线网络布线比较困难，所以用户要求使用无线通信技术构建采集系统。本研究室研究过大多数的主流无线通信技术，也有丰富的无线开发经验，能够根据实际应用，使用最适宜的无线通信技术满足用户的需求。最后是系统的可靠性方面，由于水利上木平安监测工程实际意义重大，所以对系统可靠性大多要求比较高。本研究室可以利用已有的工程经验和严格的开发测试流程，确保系统的平安可靠。在能够满足用户根本需求的前提下，本文还要研究如何针对用户的具体要求，设计出最适合于当前应用的系统。任何用户最关心的都是系统的可靠性，在可靠的前提下，用户对于系统本钱也是非常关心的。为了在不影响系统性能的前提下，尽可能降低系统本钱，本文在嵌入式硬件的设计方面采用了16位的MsP43O处理器和32位的ARMg53C2410处理器相结合的设计方案。通过嵌入式微处理器的上下搭配，能够充分发挥不同性能微处理器的最大成效。根据站北广场特殊的地理位置特点，即大多观测点均位于方圆2公里的范围内这一现象，本文将ZigBee这一新兴技术应用于水位监测领域。相对于有线传输来说，大大降低了施工布线的复杂性;另外对于以往使用的无线传输手段来说，系统的灵活性大大提升，功耗有明显下降，另外通信费用也降到了最低。依据用户水位观测和数据处理的要求，还为用户提供了配套的上位机软件，提供了数据存储以及定时采集等功能。效劳器软件与整个采集系统配和使用，可以极大地方便用户的采集工作。作为无线水位监测系统，构建无线通信网络，是整个系统中非常重要的一个环节。本文首先分析比较了几种市面主流的无线通信技术，然后针对本次应用，选择了最适宜的远距离和近距离数据传输手段，通过综合使用两种技术，构建了整个监测系统的无线通信网络。多种无线通信技术的分析比较(l)IrDAIrDA是hifraredDataAssociation的英文缩写，即红外线数据标准协会，成立于1993年。是一个致力于建立无线传播连接的国际标准非营利性组织。目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。简单地讲，IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点有:无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匾乏，频道使用费用增加的背景下是非常重要的。具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。HP公司目前已推出结合模块应用的约从2.5x8.0x2.9立方毫米到5.3x13.0x3.8立方毫米的专用器件，与同类技术相比，耗电量也是最低的。传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网中是最高的，由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达16MbPs[4]。除了在技术上有自己的技术特点外，lrDA的市场优势也是十清楚显的。目前，全世界有5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然每年以50%的速度增长。有95%的手提电脑安装了frDA接口。在本钱上，红外线LED及接收器等组件远较一般RF组件来内，相当于日前蓝牙产品的十分之一。IrDA的局限性。首先，IrDA是一种视距传输技术，也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等;其次，frDA设备中的核心部件红外线LED不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有余，但如果经常用装配IrDA端口的上网，可能很快就不堪重负了。IrDA的开展。IrDA除了传输速率由原来的FIR(Fastinfrared)的4Mbps提高到最新vFIR的16MbPs标准;接收角度也由传统的30度扩展到120度。这样，在台式电脑上采用低功耗、小体积、移动余度较大的含有IrDA接口的键盘、鼠标就有了根本的技术保障。同时，由于Inie二ct的迅猛开展和图形文件逐渐增多，IrDA的高速率传输优势在扫描仪和数码相机等图形处理设备中更可大显身手。(2)Bluetooth蓝牙技术由爱立信、东芝、IBM和英特尔五家公司于1998年提出。主要用来打破以红外线或电缆连接不同产品时受到的限制，2000年做到使移动等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换[5]。蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性标准，是一种低本钱、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，蓝牙最早是作为电缆的替代的一种低功耗短距离无线接口，实现在移动、便携式电脑和其他电子装置之间的无缝连接，进而形成一个个局域网，使得其范围内的各种信息化的移动和便携设备都能实现资源共享。虽然用途上与红外类似，其标准中也考虑到了与红外系统的兼容性，但是由于无线电波比红外线有固有的优势，蓝牙技术具有更广泛的应用。但是未来的家居网络中设备节点的数量将会越来越多，蓝牙有限的网络容量将会大大限制其在低速控制网络中的应用。另外，蓝牙的本钱始终高居不下，也就导致其无法适用于未来的大规模家居控制网络的应用。目前己经有基于蓝牙的智能家居系统，但是因为系统造价高，所以无法推广开来。蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在技术上是完全可行的。目前市场上早己有蓝牙技术的抄表模块。但由蓝牙技术主要针对的是数据交换及语音信号传输，同其它专有的抄表技术相比，有协议过于复杂、芯片本钱较高的缺点。(3)Wi一Fi1999年9月，电子和电气工程师协会(IEEE)批准了IEEE802.llb标准，这个标准也称为wi一Fi。wi一Fi的全称是wirelessFidelity，又叫soZ.llb标准。它的最大优点就是于在共享的无线局域网进行通信的物理层和媒体访问控制子层。在物理层，IEEEso2.llb采用2.45GHz的无线频率，最大的位速率达llMbps，使“载波侦听多点接入/冲突防止(CSMA/CA)”媒体访问控制(MAC)协议。需要传输帧的无线工作站首先侦听无线媒体，以确定当前是否有另一个工作站正在传输(属于CSMA/CA的载波侦听的范畴)。如果媒体正在使用中，该无线工作站将计算一个随机的补偿延时。只有在随机补偿延时过期后，该无线工作站才会再次侦听是否有其他正在执行传输的工作站。通过引入补偿延时，等待传输的多个工作站最终不会尝试在同一时刻进行传输(属于CSMA/CA的冲突防止范畴)。使用带确认(A咖owled脚ent，AeK)信号的“请求发送(Re职esttosend，RTS)/去除发送(Cleartosend，CTs)”协议，确保成功地传输和接收帧。(4)数字电台常见的数字电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和外表贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点[7]，电台提供标准RS232数据口可直接与计算机、RTu、PLC、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，任何型号电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达50公里以上，能适应室内或室外的恶劣工作环境。某些型号电台数据和话音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式，收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远方站之间的数据采集和控制。数字电台作为比较成熟的技术，具有自己的技术特点。其最主要特点就是传输距离很远，可靠性比较高。因为这些优点，数字电台已经广泛应用于石油天然气生产，调配输送自来水，废水，煤气工程，电力调度，配网自动化，负荷控制，铁路通信系统，交通控制系统等等。缺点在于功耗比较大，数据传输受到无线电管制影响，另外施工地点的地理环境可能对传输距离有影响。(5)CDMA/GPRSGpRS是通用分组无线业务(Generalpaeketradioserviee)的英文简称，是在GSM系统上开展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GsM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规那么以及同样的TDM流帧结构[8]。GPRs允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低本钱的无线分组数据业务。和现有的通信网络相比，GPRS有几个新特点。GPRS一个最突出的特点就是“永远在线”，GPRS采用的是分组交换技术，不需要像Modem那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。GPRS以传输资料量计费，这种计费方式对消费者来说更合理。CDMAIX原意是指CDMA2000的第一阶段(速率高于15一95，低于ZMbps)，可支持308kbPs的数据传输、网络部份引入分组交换，可支持移动IP业务。是在现有cDMAIS一95系统上开展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务。随着移动通信技术的不断开展，采用GPRS/CDMAlx通信方式的移动数据通信网络已经覆盖了全国各地，网络运行稳定，这给行业应用带来了广阔的市场前景。由于各行各业的应用特点不尽相同，它们对信息化的需求也各有差异，这就要求移动通信运营商提供的行业应用解决方案不仅能够满足行业用户一般化的信息通信需求，而且能够充分满足其个性化的特殊需求[9]。为此，近两年来，中国移动和中国联通两大移动通信运营企业以行业用户的需求为导向，积极进行移动行业应用创新实践，致力于为行业用户提供量身定做的解决方案。(6)ZigBeeZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和域网更简单实用【’0]。zigBee技术的主要特点包括以下几个局部:①数据传输速率低只有10kbPs一250kbPs，专注于低传输应用;②功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上;③本钱低，因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了本钱;④网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个zigBee设备可以与另外254台设备相连接;有效范围依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定;⑤工作频段灵活使用的频段分别为2.4GHZ、868MHZ(欧洲)及gl5MHZ(美国)，均为免执照频段;⑥采取了可靠的碰撞防止策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方确实认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发;⑦ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES一128的加密算法，各个应用可以灵活确定其平安属性。zigBee是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术【川，具有低本钱、低耗电、双向传输的特性，而且朝开放性工业标准方向努力。另外，IEEE也将ZigBee收纳为IEEE802.巧.4标准，与ZigBee联盟共同推动此无线低速个人通讯标准(WPAN)。Zi少ee适用于一些简单、低本钱的无线局域网络，其低耗电特性，只要使用两颗AA电池，即可维持数月甚至数年间不用换电池，对于一般工业环境或家庭都很适用。IEEE802.巧.4在提出之初就强调简单、廉价、低功耗:整个zigBee协议栈大小约为28kbytes，而蓝牙的协议栈大小约为250kbytes，目前支持zigBee技术的芯片的价格可以控制在每片$3左右，大量生产后，其售价可望降低至$1左右;ZigBee非常强调低功耗，发送时最大功耗为30mw，占空比约为0.1，用两节普通AA电池通常可工作半年到两年。尽管相对于802.11、蓝牙等技术而言，它的数据率相当低，但是对于家庭控制应用而言己经足够。所示:zigBee是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术【川，具有低本钱、低耗电、双向传输的特性，而且朝开放性工业标准方向努力。另外，IEEE也将ZigBee收纳为IEEE802.巧.4标准，与ZigBee联盟共同推动此无线低速个人通讯标准(WPAN)。Zi少ee适用于一些简单、低本钱的无线局域网络，其低耗电特性，只要使用两颗AA电池，即可维持数月甚至数年间不用换电池，对于一般工业环境或家庭都很适用。IEEE802.巧.4在提出之初就强调简单、廉价、低功耗:整个zigBee协议栈大小约为28kbytes，而蓝牙的协议栈大小约为250kbytes，目前支持zigBee技术的芯片的价格可以控制在每片$3左右，大量生产后，其售价可望降低至$1左右;ZigBee非常强调低功耗，发送时最大功耗为30mw，占空比约为0.1，用两节普通AA电池通常可工作半年到两年。尽管相对于802.11、蓝牙等技术而言，它的数据率相当低，但是对于家庭控制应用而言己经足够。所示:从表2.1可以看出目前几种主流的短距离无线通信技术的应用那么重点各不相同，有的应用于工业控制，而有的应用于生活娱乐。设计初衷不同，导致了它们的性能指标各不相同。在本文中，需要使用近距离无线通信技术构建一个无线采集网络，不要求很高的数据传输率，但是对传输距离有一定要求，因此本文决定使用ZigBee技术构建区域采集网络。至于远距离无线数据传输技术，主要的手段就是CDMA/GPRS和数字电台。考虑到市区内不能随意使用无线电台，加之效劳器距离采集系统比较远，本文首先放弃了数字电台技术。CDMA和GPRS非常相似，CDMA传输带宽稍大，加之该地区CDMA网络质量较好，因此使用CDMA技术构建远程数据传输网络。为了更好的帮助读者理解本系统的设计思想，下面本文详述采集网络的构建。无线采集网络的构建首先，本文需要简述ZigBee技术的模块功能和网络构成。根据ZigBee协议，ZigBee网络设备共有3种，它们是:(1)网络协调器:包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。(2)全功能设备(FFD):可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置(RFD)连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。它的特点是:附带由标准指定的全部802.巧.4功能和所有特征;更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用;也能用作终端设备。(3)精简功能设备(RFD):RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。它的基本特点有:附带有限的功能来控制本钱和复杂性;在网络中通常用作终端设备;zigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了zigBee部件的本钱，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低本钱。通过使用上述3种网络设备，ZigBee技术支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluste:tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性汇’2]。不同网络的主要特点是:(l)星型网支持点对点、点对多点通信;中心节点为zigBee协调器，终端节点为zigBee终端设备;所有数据经过中心节点;适合圆形分散、距离较近的设备联网。(2)网状网系统采用多跳式路由通信;网络容量很大，可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构;该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。(3)簇状网该网络是以网络协调器为核心，连接前面介绍的两种网络，功能更强大，应用领域更广。下列图2.1表示了zigBee技术的3种组网方式。如图2.1所示，zigBee技术的组网方式非常灵活，可以依据不同的应用需求，构建不同类型的网络。考虑到本系统采集区域覆范围不是很大，按传感器功能划分只需要构建一个采集网络，因此本文使用星型网作为区域采集系统的网络结构。其中RFD连接控制传感器的数据采集电路板，而FFD那么连接包含CDMA设备的区域采集控制系统。下面，本文详细介绍系统功能模块的划分。站北广场水位监测系统按照模块功能，可以分成3个局部。分别是:数据处理效劳器、区域采集控制系统和数据采集终端。如图2.2，是整个采集系统的结构示意图。下面详细介绍每个功能模块的设计思想:数据处理效劳器，就是一台运行了上位机采集软件并且接入互联网的PC机，可以放置在任何用户需要的地方。它的主要功能是发送各种采集命令，控制另外两种设备进行工作以及接收采集回来的各种数据，并且将数据按要求分析、显示和存储。区域采集控制系统是一个区域内水位数据采集的核心节点【”】。它的硬件根本组成包括ARMgs3c2410处理器的核心板以及扩展板，cDMA模块以及zigBee中心节点模块。另外根据客户的需求，还可以扩展LCD显示器触摸屏和SD卡存储器等设备。他主要负责维护使用ZigBee组成的区域采集网络、接收转发效劳器和采集终端之间的命令及数据，另外还可以对采集数据进行一定的处理。数据采集终端分为两种，最常用的一种包括各种传感器，数据采集电路板和ZigBee接入节点模块。它的主要功能是接收区域采集控制系统转发的效劳器命令，完成采集过程，然后将采集到的数据或出错信息以规定的数据格式返回给效劳器。另外一种是物理位置相对独立的数据采集终端，它可以使用CDMA设备取代ZigBee设备，直接和效劳器通信【’4]。在本论文构建这个无线水位监测系统中，并没有用到独立数据采集终端，这是由于本次应用的地理位置决定的。但是在系统的设计过程中，预留了这方面的接口，为今后其他应用工程或者本工程的扩展，提供了良好的根底。下面本文从整体上阐述站北广场无线水位监测系统的设计思想和具体实现。根据用户的实际需求，监测人员应该在效劳器端就可以远程实时监测各点的水位变化情况。为了方便观测人员，效劳器端软件提供应使用人员的功能包括:强制采集数据，定时采集数据，传感器参数配置，当前水位高度显示和历史水位高度显示等。效劳器需要接入互联网，以便与接入CDMA网络的区域采集控制系统通信。用户首先应该在效劳器上面配置所使用的参数，这些参数包括传感器类型，传感器的一些标定系数和ZigBee模块对应的通信地址。参数设置好以后，用户可以根据自己的需要选择强制采集或者是定时采集。这两种采集方式所发送的命令格式是相同的，区别仅在于强制采集是手动采集数据，一次一采，而定时采集那么可以完全按照设定的时间间隔，自动采集数据。采集指令通过互联网发送到CDMA网络，区域采集控制系统接收到采集指令后，根据相应的ZigBee模块地址，将采集命令转发至相应的数据采集终端。数据采集终端根据上位机要求，执行相应的采集操作之后，将数据进行一定的处理，转化成标准格式后通过ZigBee网络发送至区域采集控制系统。该系统再将相应的数据进一步处理，然后通过CDMA网络和互联网发送到效劳器端。效劳器接收到数据后，根据配置的参数进行处理，然后将有效数据显示出来供用户参考，同时将该数据存储到数据库中，方便用户日后调用观察。本文设计的整个水位监测系统的主要工作流程就如同上文介绍的样子，这里描述的只是系统最根本的功能和具体实现过程，具体到每一局部的模块实现细节，本文将在后面的章节中详细讨论。3系统硬件设计与实现核心电路板是整个水位监测系统的核心局部，它负责所有命令信息和数据的中转传输以及局部数据的处理。从物理组成角度讲，核心电路版主要包括:32位微处理器53C2410、SDRAM芯片HY57V561620BT一H，Flash芯片K9F1208，以及所需要的辅助部件，如晶体振荡器，电源模块等。下面详细介绍这几个局部的特性和设计思想。核心处理器局部设计处理器是嵌入式系统的核心，适当的选择处理器，才能设计出经济、高效的嵌入式平台。处理器的选择，是硬件设计的首要工作。ARM(AdvancedRISCmachines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM公司是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器，以及相关技术及软件。ARM处理器技术具有性能高、本钱低和功耗低的特点【’5]。适用于多种领域，t匕如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。(1)ARM微处理器的应用领域:①工业控制领域:作为犯的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大局部市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。②无线通讯领域:目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低本钱，在该领域的地位日益稳固。③网络应用:随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。④消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏扫七中得到J一‘泛采用。⑤成像和平安产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大局部采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术【’“]。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。(2)采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点:①体积小、低功耗、低本钱、高性能;②支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件;③大量使用存放器，指令执行速度更快;④大多数数据操作都在存放器中完成;⑤寻址方式灵活简单，执行效率高;⑥指令长度固定;ARM微处理器目前包括下面几个系列:ARM7系列、ARMg系列、ARMgE系列、ARMloE系列、seeureore系列、Inter的xseale、玩ter的strongARM。以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域【’7]。其中，ARM7、ARMg、ARMgE和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为平安要求较高的应用而设计。从上面的介绍可以看出ARM系列处理器依据功能和价位可以划分为不同的档次，每一款处理器都是针对特定的应用需求而设计的。综合考虑客户的需求，对平台的熟悉程度以及工程的本钱控制，本文使用SAMSUNG2410(简写为53C2410)作为水位监测系统的核心嵌入式处理器。(3)53C2410是三星公司针对工业级和民用级等多种应用场合设计的一款性价比较高的16/32位RISC嵌入式微处理器，其内部除了包含ARM公司设计的16/32位ARM92oTRlse处理内核外，s3C2410还包括以下比较重要的功能模块[’“]:内带有MMU(Memorymanageunit)内存管理单元，故53e2410支持WindowseE、嵌入式Linux等多种嵌入式操作系统;6KB的指令Caehe和16KB的数据Caehe;完全可编程控制的外部总线接口(Extemalbusinierfaee)，其存储空间可分为8个128MBank，每个存储区都支持8/16/32字宽进行读写操作，最大地址访问空间为IG;55个中断源;3个异步串行口，其中一个可设置成红外口;SPI串行口;可编程看门狗定时器;LCD控制器，支持STN和TFT两种LCD显示器;5个16位定时/计算器;8路10位的ADC，支持触摸屏;2个USB主设备口，l个USB从设备;117位通用1/0口，24个外部中断源。同时S3C24lO也提供了较好的电气特性，具有工业级产品，四种工作模式:正常模式、低能模式、休眠模式和停止模式〔’”l。53c2410处理器采用272一FBGA封装形式，共有272个引脚，按功能分类，可以分为总线控制信号、内存Flash读写控制信号、显示器控制信号以及通用1/0口等。其中一些引脚具有复用功能，本系统在设计核心板的时候并不需要把全部引脚都引出来，因为核心板采用6层印刷线路板，制作本钱比较高。使用越多的处理器引脚就意味着核心板需要更大的面积，同时布线也更加的复杂和易出错。本系统在核心板的制板过程中，在满足当前工程需要的前提下，预留了一些系统引脚资源，以方便今后的扩展，同时又不会带来本钱的大幅增加。SORAM存储器接口电路设计任何处理器都需要将代码数据放在内存中运行，早期的8位单片机，所需内存较少，处理器内部往往都集成有SRAM。而在犯位处理器时代，处理器需要外接较大容量的内存。目前RAM分为2类:SRAM和SDRAM。由于目前的微处理器上几乎都集成SDRAM控制器，本系统采用SDRAM作为系统内存。SDRAM(S”ehronousDRAM)即同步DRAM。它最大的特色就是可以与ePU的外部工作时钟同步，和系统中的CPU、主板使用相同的工作时钟，如果CPU的外部工作时钟是100MHz，那么送至内存上的频率也是100MHZ。这样将去掉时间上的延迟，可提高内存存取的效率[20l。SDRAM的工作原理如下:SDRAM是以阵列单元来存储数据的，因此在存取时必须提供一个行地址和一个列地址来确定所要访问的数据的位置。第一步，地址总线上出现所要访问数据的列地址，同时作为列地址信号标志的RAS(RowaddressStrobe)信号有效，将列地址打入SDRAM，SDRAM将整列的数据都准备好，等待着被访问;接着地址总线上出现所要访问数据的行地址，并通过行地址信号的CAS(ColumnaddressStrobe)打入SDRAM，SDRAM从在这之前己选中的列中挑选出该行地址所对应的数据，并将该数据输出或输入到数据总线。具体是输出还是输入操作是由WE信号决定的。本系统的硬件平台考虑应用的实际需求，采用的是两片Hynix公司的HY57V561620内存芯片，单片容量为4BankSx4Mx16Bit，采用2片构成64M的SDRAM模块，具体电路如图3.1所示。Flash模块电路设计当系统断电的时候，需要使用非易失性存储介质保存操作系统镜像，以便当系统上电启动的时候，可以将操作系统导入内存，完成整个系统的上电运行。在本系统中，采用了一片三星公司的KgF一20564M火5BitNANDFlashmemo仃作为操作系统镜像和BootLoader的保存介质。下面首先简单介绍一下Flashmemory。闪速存储器(Flashmemory)是一类非易失性存储器，即使在供电电源关闭后仍能保存片内存储信息;而诸如DRAM、SRAM等这类易失性存储器，当关闭供电电源后，片内信息随即丧失。Flashmemory有其它非易失性存储器的共同特点:与EPROM相比教，闪速存储器具有明显的优势;系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压;与EEPROM相比较，闪速存储器具有本钱低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛不。目前市面上应用在嵌入式领域主要有两种类型的闪速存储器，NOR型和NAND型。这两类闪存各有所长，NOR型随机读取的速度比较快，擦除和写入速度比较慢。因此适合用于程序的读取。一般NOR闪存的接口和EPROM相同，都有单独的地址、数据和控制线，便于直接读取;可以和微处理器连接，直接执行程序代码。而NAND结构的闪存，相对来说读取速度较慢，而擦除和写入速度那么比较快[2’]。因此NAND闪存往往用来传送整“页”的数据，即将存储阵列中的数据直接传至微处理器内部的容量达528字节的存放器。闪存直接和8位数据总线连接，一次传一个字节。这样如果一次读出一个扇面，总的读取时间和NOR闪存相差不多。NAND闪存的集成度比较高，主要设计用作固态文件存储，没有专门的地址线和数据线，只有控制线和8位1/0端口。和硬盘驱动器的DE接口相似，当NAND闪存更新换代成倍增加容量时，对外物理连接可以保持不变。由于集成度高，写入和擦除速度快，NAND闪存适合用作大容量存储器f22)。辅助电路设计除了上面详细介绍的一些核心芯片，本系统设计的核心板上还有一些辅助电路，它们虽然不是系统运行的核心部件，但是也是系统正常运行不可或缺的组成局部。其中包括处理器使用的主时钟晶振、辅助时钟晶振电路;减少外界干扰的滤波电容;增强芯片带载能力上拉电阻;显示处理机运行状态的LED等等。它们一起构成了ARM核心板的最小硬件系统板[23]。考虑到系统性能，核心板工作在203MHz的高速信号下，为了布线方便，减少干扰，采用了六层电路板分层布线的设计，顶层布件，第二层为接地面，第四层为电源面，其他各层为信号层。本次应用所设计的核心板比较小巧，通过标准144芯SIMM插座与扩展板板连接，具有较好的通用性，可以作为不同应用开发设计的根底和平台。系统扩展电路板并不是一个独立的功能模块，它没有计算能力，它的主要功能是为核心板供电以及扩展出核心板需要的各种外设接口[24l。用户使用的核心板的各种功能，都是通过扩展板上的外围电路最终实现的。既然核心板和扩展板是配合使用的，那么为什么要将他们分开呢?这里主要考虑的是系统的本钱以及未来的平台移植扩展能力。因为ARM系列处理器功能强大，引脚众多，所以核心板必须至少使用6层印刷线路板才一能布线成功。而扩展板主要是一些外围接口电路，只需要使用2层印刷线路板就可以布线成功[25]。而多层板的单位面积本钱是大大高于2层板的，所以本系统把核心板和扩展板分开设计。另外核心板上的引脚资源是非常丰富的，通常在一个应用中一般不会使用全部的功能。分层的设计方式可以让开发者根据不同的应用，灵活的设计扩展板的资源。这样可以最大的降低用户本钱和系统功耗。下面，就大连站北广场地下水位监测这一工程，本文对扩展板进行了如下设计。LCO显示器以及触摸屏接口设计扩展板的显示器以及触摸屏的设计主要是考虑在程序调适过程中可以方便的观察程序运行状态以及将来根据用户的需求，对区域采集系统的功能进行扩充。比方说如果将来用户要求在区域采集系统中显示当前系统运行状态，有了显示器和触摸屏就会非常方便。s3e24一。内部自带LeD控制器，支持多种类型的彩色Leo，如s翎、TFT等[26]。本系统考虑到实际的显示效果和本钱，选用了SHARP的8英寸800x600的TFTLCD。因为53C2410自带LCD控制器，所以扩展起来很方便，LCD接口电路如图3.3所示。串行接口设计RSZ犯是PC机与通信工业中应用最广泛的一种全双工串行接口。RS232被定义为一种低速率串行通讯标准。其可靠传输距离大为约IOm，最高速率为20kbps。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS232接口是目前工业上最常用的一种串行通讯接口。工业控制的RSZ犯口一般只使用RXD、TXD、CND三条线。RS232接口的物理结构。RS232接口连接器一般使用型号为DB一9插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。PC机的RSZ犯口为9芯针插座。一些设备与PC机连接的RS232接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需要三条接口线，即“发送数据TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。本次开发的系统需要使用RSZ犯串口作为CDMA和zigBee设备的标准接口。系统核心板中S3C24lO具有3个标准的UART接口，为了尽可能的扩展对外接口，根据MAX3232芯片的功能，即每块MAX3232可以扩展2个独立的RS232串口，故本系统通过2块MAX3232芯片扩展了3个RS232串口，其中一个作为与CDMA的接口，另SD卡就是SeeureDigitalCard，平安数码卡。由松下公司，东芝公司和美国sANDIsK公司共同开发研制的，具有大容量、高性能、平安等多种特点的多功能存储卡。它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能(SDMI规格)。主要用于松下数码摄像机、照相机，佳能和夏普摄像机、柯达、美能达、卡西欧数码相机等厂家使用。尺寸为犯mm又24mmx2.lmm，比MMC卡略厚一点容量那么要大许多，已经生产出ZG的容量[27]。此卡的读写速度比MMe卡要快4倍，达ZMB/秒。同时兼容MMe卡，sD卡的插口大多支持MMC卡。SD卡最大的特点就是通过加密功能，可以保证数据资料的平安保密。它还具备版权保护技术，所采用的版权保护技术是DvD中使用的CPRM技术(可刻录介质内容保护)。由于S3C24lO芯片内部集成了SD驱动电路，可方便地对SD卡进行扩展，以扩展系统的非易失存储空间。SD总线信号定义如下:(1)CLK:时钟信号。(2)CMD:命令/响应信号。(3)DATO一DAT3:双向数据传输信号。(4)VDD，VSSI，VSSZ:电源和地信号。本系统设计SD卡接口的初衷是增加区域采集控制系统的本地存储能力，这样可以根据需要将采集数据进行本地备份，以增强系统的可靠性和扩展能力。如图3.5，是SD卡接口原理图。以太网接口设计以太网接口的最主要功能是通过该接口下载操作系统镜像。另外本文虽然主要使用无线通信技术构建传输网络，但是并不仅仅局限于使用无线通信技术。有线传输也有它的优点，比方说传输更可靠，通信费用更低等。考虑到ARM处理器和嵌入式操作系统的强大功能，本系统在扩展版上扩展了以太网接口。这样一来，相当于给区域采集控制系统增加了一块网卡，当用户需要的时候可以使用局域网传输数据，增加了系统的灵活性和扩展性。本文以CS89OOA芯片作为核心，通过芯片引脚和地址总线以及数据总线的连接，设计并实现了以太网接口扩展模块。cs890oA是cimisLogic公司生产的低功耗、性能优越的16位以太网控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部存放器的设置来适应不同的应用环境。如图3.6，是本系统以太网接口原理图。数据采集电路板作为数据采集终端的重要组成局部，主要功能在于接收效劳器指令，测试通信状态或者采集传感器数据，然后对所采集数据进行分析处理，再将有效数据发送至区域采集控制系统。下面，本文详细介绍整个数据采集终端的设计思想。处理器局部设计在本文设计的水位监测系统中，除了要用到高端的犯位微处理器构建系统核心结点之外，系统还需要设计大量的数据采集电路板。这些采集节点对处理器性能要求不高，但是对于可靠性、系统本钱和功耗有较大的要求。因此，本文采用了TI公司的16位微处理器MSP43O149作为通信节点的核心。下面本文简单介绍一下MSP43O系列微处理器的特点，从中也可以看出数据采集电路板的一些性能指标。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在SMHz晶体的驱动下，实现125us的指令周期。16位的数据宽度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)[281。MsP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6us。其主要特性如下:(l)超低功耗:MSP430系列单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP43O系列单片机的电源电压采用的是1.8一3.6V电压。因而可使其在IMHZ的时钟条件下运行时，芯片的电流会在0.1一400uA之间。其次，独特的系统时钟系统的设计。在MSP43O系列中有两种不同的系统时钟系统:根本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz)，有的使用两个晶体振荡器(一个为32768Hz，另一个为高频振荡器)。由系统时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，翻开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时翻开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPMO一LPM4)。在等待方式下，耗电为O.7uA，在节电方式下，最低可达O.luA。系统工作稳定，上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的存放器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作;如果程序跑飞，可一用看门狗将其复位。(2)丰富的片上外围模块:MSP43O系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(TimerA)、定时器B(TimerB)、串口0、l(USARTO、USRATI)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位Aoe(Aoel4)、12位nAe、IZe总线、直接数据存取(nMA)、端口。(Po)、端口1一6(Pl一P6)、根本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可以设计为刀D转换器;16位定时器(TimerA和TimerB)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较存放器，可用于事件计数、时序发生、PWM等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口，可方便地实现多机通信等应用;具有较多的并行端口，最多达6XS条FO口线;Pl、PZ端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;12/14位硬件刀D转换器有较高的转换速率，最高可达ZookbPs，能满足大多数数据采集应用;能直接驱动液晶多达160段;实现两路的12位D/A转换;硬件IZc串行总线接口，实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输(DMA)模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。(3)方便高效的开发环境:目前MSP430系列单片机有OTP型、Flash型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片;对于Flash型那么有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的Flash存储器，因此采用先下载程序到Flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c语言[z9]。(4)适应工业级运行环境:MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为一40℃一+85℃，所设计的产品适合运行于工业环境下。采集系统传感器设计(l)压阻式水位计20世纪70年代，一种新型压力传感器迅速开展，该传感器是直接将压力传感器严格密封后置于水下测点，将其静水压力转换成电信号，用防水电缆传至岸上，再用专用仪表将电信号转换成水位值，这种水位计被称为“水下直接感压式压力水位计”又称为“压阻式压力水位计”。压阻式压力水位计简称压力式水位计，是将扩散硅集成压阻式半导体压力传感器或压力变换器直接投入水下测点感应静水压力的水位测量装置。能用在江河、湖泊、水库及其它密度比较稳定的天然水体中，无需建造水位测井，实现水位测量和存贮记录。压阻式压力水位计是以压力变换器作为传感器，无需恒流单元，只需增加一只低温漂移高精度的取样电阻，其它组成单元那么完全相同。计算公式如3.1所示:月任(V-VO)XG+Eo(3.1)其中H代表水位高度，V表示测量电压，V0表示标定电压初值，G表示率定系数，E0表示调整参数。通过使用计算公式和事先标定好的传感器参数，可以方便的把电压信号换算成水位高度值。(2)超声波液位仪超声波液位仪是一种把声学和电子技术相结合的水位测量仪器。按照声波传播介质的区别可分为液介式和气介式两大类。声波是机械波，其频率在20一20000Hz范围内。可以引起人类听觉的为可闻声波;更低频率的声波叫做次声波;更高频率的声波叫做超声波。超声波液位仪通过超声换能器，将具有一定频率、功能和宽度的电脉冲信号转换成同频率的声脉冲波，定向朝水面发射;此声波束到达水面后被反射回来，其中局部超声能量被换能器接收又将其转换成微弱的电信号。这组发射与接收脉冲经专门电路放大处理后，可形成一组与声波传播时间直接关联的发、收信号，根据需要，经后续处理可转换成水位数据，并进行显示或存贮。换能器安装在水中的称之为液介式超声波液位仪，而换能器安装在空气中的称之为气介式超声水位计，后者为非接触式测量。通过分析比较，本文选择了重庆易兆公司生产的超声波液位仪，它是一种非接触式测量仪器。它的标称测量误差<1%，具有LED发光数码管显示屏和RS485总线扩展接口，使用22OV供电。采集电路板设计通过上文的任务分析，本文确定了数据采集终端使用的处理器类型和传感器类型，再考虑到之前介绍的无线通信模块，故在数据采集电路板上设计了如下外围电路:(1)AD采集由于本文采用的压阻式水位计输出信号为1一SV模拟量，所以本系统需要通过设计AD采集电路来读取压阻式水位计的输出信号。MSP430149处理器内置8路12位AD采集单元，这就大大降低了采集电路板AD局部的设计难度和制作本钱。由于水位传感器的电压测量不需要很高的精度同时也不需要很快的采集速度，因此本系统就使用149芯片内置的AD采集单元。但是考虑到MSP430处理器工作电压为3.3V，而本系统使用的传感器的最大输出信号为SV，所以该电路板对每路AD输入信号使用2个10K电阻进行分压处理，同时使用2.5V稳压二极管作为AD采集电压参考源。这样一来，本文在充分利用己有芯片资源的前提下，以最低本钱设计了AD采集局部电路。(2)RS232/485接口串行通信在本系统中得到