江河防汛物联预警系统-硬件设计.docx

北京理工大学珠海学院2011届本科生毕业论文江河防汛物联预警系统-硬件设计学 院： 信息学院专 业：姓 名：指导老师：信息工程邹艳宝学 号：职 称：161203107069黄炜皓教授中国·珠海二二零 年 五 月北京理工大学珠海学院XXXX届本科生毕业论文诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文江河防汛物联预警系统硬件设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名： 邹艳宝 日期： 2020 年 4 月 15 日江河防汛物联预警系统-硬件设计摘 要科技水平的发展是推动社会和人们的生活水平发展的重要力量，现在电子技术愈来愈成熟，而且人工智能也成为了时代的主流，最近还有一个大热的便是物联网，目前物联网已经成为发展的主流，物联网技术顾名思义，是需要实物还有网络通信，且现在这方面的技术也是和科技水平一样变得比以前更加成熟。江河防汛从古至今一直是人们要解决的一个重要问题。防洪防汛不仅能保证人们的生命财产安全，还可以利于水进行灌溉种植，养殖等，是人们生活中最重要的环节，也是推动社会和经济发展不可或缺的一环。本文所研究的基于物联网技术的防汛预警系统不仅可以实时监测水位还能及时得实施报警，在远程也可以对水位进行实时的监控，在后端也能及时得得知水位信息，得知是否预警，进而能够及时采取下一步措施。本文研究的江河防汛预警系统主要分为两个部分：1. 基于zigbeen组网的水位检测，在终端节点也就是传感器节点处zigbeen通过水位传感器器对水位进行检测，输出信号为模拟量，zigbeen通过AD转换得到输出的电压值，再根据公式计算出对应水位高度，然后通过Z-Stack协议栈将数据传输给协调器节点。2. 协调器节点接受各终端数据进行处理，将各节点的水位信息在OLED上显示出来，再将各子节点数据与设置的报警水位值进行对比，若超过阈值则进行预警，除此之外协调器读取GNSS定位信息再将水位数据和定位数据通过GPRS发送给远程服务器端。服务器端接受数据后，再由设计好的软件进行服务器取数，将所得到的数据显示在设计的界面上，并采用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 System-Hardware DesignAbstractScience 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 录一、绪论1（一）研究意义及背景1（二）国内外研究现状2（三）研究内容及章节安排2二、江河防汛预警系统水位测量及通信技术研究3（一）水位传感器简介3（二）Zigbee无线传感器网络5（三）GPRS技术8三、江河防汛预警系统硬件设计9（一）zigbeen最小系统设计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（一）zigbeen组网调试12（二）GPRS与PC服务器远程通信测试14（三）下位机水位检测及预警测试15五、总结17一、绪论目前物联网在数字信息时代越来越火，所涉及的应用领域愈来愈广泛，所使用的功能也更加的全面，而且随着人工智能的出现和发展，物联网也越来越智能化。本文所设计的江河防汛预警系统为基于zigbeen进行水位检测和预警，并将数据采集通过网络通信发送给前端。（一）江河防汛预警系统研究意义及背景科技水平的发展是推动社会和人们的生活水平发展的重要力量，现在电子技术愈来愈成熟，而且人工智能也成为了时代的主流，最近还有一个大热的便是物联网，目前物联网已经成为发展的主流，物联网技术顾名思义，是需要实物还有网络通信，且现在这方面的技术也是和科技水平一样变得比以前更加成熟。我所设计的毕业设计就是对江河防汛物联预警系统研究的一个课题。本选题具有如下意义：通过将科学技术应用在本次毕设上，使江河防汛物联预警系统的操作和管理更加科学化与规范，从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。监测环境参数以支持水利工程管理是WSN概念可以成功应用的领域之一。全球水利工程的一系列问题使得必须采用有效方法对水讯进行监测和预警，这不仅有助于提高水利生产率，还能维护该区域的生态平衡。现在，水通常是宝贵的资源，但任何事物都有两面性，水也具有危害，例如江河水域一旦出现汛期都可能对周围的生态造成严重的危害，给该水域的工业、农业造成影响，更有可能危害人的生命。当前水文信息的监测和预警在我国一直非常被关注，但监测技术与方式仍相对落后。在偏远的水域地区，水文数据仍然使用传统方法来识别和分析并评估水文环境，在此基础上进行一点程度上的预测，对可能出现的不利情况进行预警。过多的人为因素参与，即使不符合现代水文监测的要求，仍然可以看到大量数据的变化规律；但是不可忽视的是，过多人为性质的处理数据，相当费时且困难，并且可能数据的测量方法依旧存在一些缺点和难点，以致于无法及时发现，这最终导致无法全面的、客观的表达出水文信息变化的规律和实际的情况，对可能出现的危险无法做出及时的判断和预测。本课题所研究的江河防汛物联预警系统正式为了应对这类问题，通过该系统，能有效地对水文信息进行实时关注，特别是在防汛的角度能有效的起到预警的作用，而无论是监测和预警，这些过程都需要数据的传递，该预警系统的网络传输的设计就显得格外重要。WSN的应用非常流行，常用无线技术主要包括所使用的无线技术是GPRS，数字无线电台，移动通信，卫星通信等，但是它们都存在局限性。现在ZigBee技术越发成熟，相比其他几种方法，ZigBee技术拥有巨大优势。ZigBee技术在江河防汛物联预警系统中可以满足水文监测信息化和网络化的需求，拥有成本低，功耗低，稳定性好，易于使用的优势，并且覆盖范围大，为江河防汛的监测和预警技术的未来给出了一些具体参考。 （二）国内外研究现状与江河防汛物联预警系统研究有关的国家数量不少，美国和日本是在该领域中有杰出成果的国家。美国所一直研究的依靠通信进行测量的系统是相对先进的，特别是自动水文监测和卫星通信监测都被广泛使用。随着无线传感器与通信技术发展，SUTRON企业被授权深度开发新型水文防汛预警系统，该系统使用极为先进的无线传感技术来监测大型水体的环境信息。数据传递的方法有利于和侧重于监测传输网络的建设，该网络完成水文数据的处理过程。除了美国外，日本作为岛国，对水文信息的监测和预警也很成熟，只不过很多的预警信息是针对海洋区域。日本使用优秀的传感监测设备，利用稳定的传输方法来传输水文数据。同时，日本在其内陆地区已经建设好了大量的雷达雨量监测站，地面水量监测站和江河的水位站，以在其整个大陆地范围内记录水文信息。监测中心依靠遥测系统传输水文数据。全国范围内的水闸信息收集非常快速，他才能实时播报，监控中心亦可随便知道水闸站的状态并进行实时控制，最终能实现全自动无人监守，该系统的成功应该处于该行业的前列。国外在研究江河防汛预警方面一直走在前面，无论系统集成还是使用系统设备和技术手段，都是相对完整和可靠的，通信技术也在不断发展。该方法确保了监测预警系统是可靠和准确的。对比与外国的情况，江河防汛预警的研究在国内是落后的。它主要经历了三个阶段：第一阶段，开发阶段和网络阶段，即处理水文信息资源，以达到信息化要求。早在1980年的后面几年，相关研究已经开始进入正轨，而且在那个年代传感器及它的相关技术也得到了发展，从那个时候就开始研究如何利用传感器读取水位。那么到了2000年左右，电脑相关的技术水平还有我们所用的通讯技术都得到了显著提升，也就意味着江河防汛已经往物联网发展。以适应防洪和合理调度水资源的需要，使水文信息智能化，网络化。我国水利部早在2006年就对江河防汛预警有了更高的要求，并提出了新的发展思路。通过水利部向各省市的水文信息网络传输，水文信息的自动收集，传输，接收，处理和分析，以信息化的方式进一步发展了防洪和防洪预报建设，实现稳定的水讯预警系统。我国目前虽然在江河防汛预警的方面一直在发展，但是尽管取得了一些进展，但与发达国家相比仍然有比较长的距离。系统尚未完善，信息收集，传输方法和技术相对不能满足当今快速，准确地实时监测的要求。（三）研究内容及章节安排1.通过查阅资料了解当前行业前沿的防汛物联预警技术及产品的发展状况。2.培养自己将所学知识与现实相联系的能力。3.在这次的毕业设计中，主要负责的工作有如何选择水位传感器，传感器节点的硬件电路设计，调节传感器节点的程序。4.具有报警功能，当水位超过上限或者下限是能及时报警。5.用传感器将非电量信号转换成电量信号，而在设计中选用什么传感器，要从经济性、可靠性和准确性的方面考虑。本文一共分为五个章节对江河防汛物联预警系统的网络传输部分的设计进行阐述：第一章，介绍了江河物联预警系统的整体研究背景和研究意义，并分析了该系统的网络传输部分所设计到的基础理论以及工作原理，并对此进行总结；然后说明本文的研究内容和章节安排。第二章，对该系统的水位检测部分和网通信所涉及到的原理进行分析。其中主要是液位传感器检测原理和基于Zigbee的无线通信技术。 第三章，对整体的硬件进行设计包括zigbeen最小系统，电源部分，报警部分及液晶显示部分。第四章，结合硬件和软件层两个方面进行联合调试实验，得出结论并分析。第五章，对本课题的设计进行总结。二、江河防汛预警系统水位测量及通信技术研究（一）水位传感器简介水位传感器分为多种，就应用领域而言可以运用在水库水位测量，江河处用于防汛防旱，按照测量原理又可以分为以下几种：1.运用了超声波知识设计的传感器原理就是用传感器发出超声波，然后经过水平面后反射到传感器的探头来计算反射的时间，超声波在空气的传输速率是已知的，那么可以则根据: s=Ct2 （2-1）根据这个公式我们可以得到S。这种传感器的范围可以自行设计。传感器的输出为电流信号420mA。图2-1 水位检测基于超声波原理图2. 基于水压原理设计的水位传感器这种方式的水位传感器的检测原理是根据不同水位所形成的水压是不同的那么可以根据水压测得水位。这种传感器的范围可以自行设计。传感器的输出为电流信号420mA。图2-2 基于水压设计的水位传感器3. 水滴水位传感器模块经过对比测量范围还有性价比，开发难度等方面的因素，本文的设计采用的传感器是水位水滴传感器，它不仅开发难度小，而且规格相对于其他几个显得小巧。它的检测原理是根据板子上所暴露的导线采集到水量，从而可以根据采集的位置输出相应的模拟量，那么单片机采集到这些模拟量，再经过公式和函数转化可以得到相应的水位数值。它的具体参数如下：范围电压：直流3V到5V额定电流范围：低于20毫安工作时温度：10度到30度工作时湿度：10%-90%无凝结模块重量：3.5g板子尺寸：62mm x 20mm x 8mm图2-3 液位传感器接口说明把水位传感器连接到扩展板A0号模拟管脚1.+ (VCC) :接电源正极(3-5V) ;2.(GND) :接电源负极;3.S: 模拟信号输出图2-4 液位传感器设计图（二）Zigbee无线传感器网络1ZigBee的简要描述在zigbeen的局域网中，每个节点根据组网形式，然后相互之间可以实现无线通信，还有跳级的方式构成了由zigbeen组成的局域网。基于zigbeen组成的无线传感器网络是一个囊括了多项技术的的信息采集和传输网络，通过传感器节点采集、处理、协作传输被监测对象的各种物理量信息。传感器节点根据组网形式，然后相互之间可以实现无线通信，还有跳级的方式构成了由zigbeen组成的局域网，数据传输到用户终端从而实现了人类社会的生产生活和物理世界的互联。以前无线网主要的任务是在通信质量良好的情况下，打到最高的数据吞吐率。无线的传感器网络主要用来采集和传输各种物理信息，针对这些信息一-般不要求很短的采集周期，故通信速率并不是无线传感器网络主要考虑的因素。它关注的主要问题是在布局方便、体积小、能量有限的情况下尽可能的延长网络的生命周期。IEEE 802.15.4 是一种低速率、无线、单个人的局域网标准。EEE802.15.4标准定义了物理层PHY、介质访问控制子层MAC，成本较低、结构也比较简单，具有灵活的吞吐量和比较低的功率。LR-WPAN主要是想实现一种短距离通信、数据。可靠传输、成本低的通信方案，这种通信方案还具备协议简单、灵活，电池寿命合理、安装节点方便等特质。图2-5 ZigBee协议栈架构ZigBee协议栈框架如图所示，在EEE 802.15.4基础之上搭建，由ZigBee联盟定义了网络层和应用层。1.1物理层(PHY )这里所提到的物理层，可以这么理解，它是对zigbeen需要进行组网的硬件支持，也就是本文所需要用到的协议栈的硬件基础，那么在此层我们可以实现相互之间的信息发送，信号的检测还有基本所要使用的参数的调节等功能。和物理层连接的有两个层，一个是MAC层，还是就是无线通信的层。它可以做的工作就是在本层的数据传送还是就本层的管理工作。IEEE 802.15.4 标准定义了分别工作在868MHz、915MHz和2.4GHz频段的三种物理层基带方式共27个物理信道，这些信道覆盖了以上三个频段，具体分别为868868.6MHz包含一个信道、902928MHz包含10个信道、2.42.4835GHz 包含16个信道。本节所提到的物理层还有它的硬件，以及所使用的的通信协议和协议栈都是为了更上层做支持和兼容所使用的，采用模型如下图中的2-6所绘制的模型那样，从图中我们可以知道本层能够给它的上一层也就是MAC层提供相应的程序接口，第一个就是我们说的PD-SAP，第二个就说PLME-SAP，中文翻译过来就是物理层的数据接口，还有个经过翻译就是管理接口。他们对于物理层的作用是控制和通过物理层发送数据。在我们上层的软件设计中可以通过程序和调用命令通过这两个接口函数向物理层发送我们要发送的数据。反过来物理层的数据也能够通过这两个函数向程序上层发送数据。并且还要负责底层硬件电路的管理功能，射频电路的管理包括设备收发转换、信道能量估等工作。图2-6 物理层参考模型1.2网络层(NWK)ZigBee协议栈的核心部分在网络层。-个节点设备退出、加入需要依靠网络层来实现，对于全功能节点还要考虑接收节点入网或者令其离开网络、路由寻址等功能。同时NWK层还要向其上层应用层提供数据和管理服务。1.3应用层( APL)ZigBee应用层分为四个层次结构，包括应用支持子层APS、ZigBee设备对象ZDO、应用框架AF和制造商定义的应用对象。APS帧结构APDU由以下两部分组成: APS帧头，包含帧控制和地址域;帧载荷，即APS帧传输的有效数据。APS层为网络层和应用层之间的接口主要提供数据和管理两种服务,这两种服务分别由APS数据实体APSDE和APS管理实体APSME提供。其中，APSDE负责在网络设备间传输应用层数据PDU, APSME负责设备的发现和AIB的管理等工作。另外，数据实体和管理实体之间也存在访问接口，使管理实体可以使用数据实体提供的服务。应支持子层参考模型如图2-7所示。图2-7 应用层参考模型2ZigBee网络拓扑结构ZigBee无线传感器网络可以组成星型、树型和网状三种网络拓扑结构，每种拓扑结构都必须包含协调器设备，如图2-8所示。星型网络一般包括-一个协调器和若干终端，协调器负责建立起一个PAN网络，其他终端设备可以通过选择协调器作为父节点，从而加入这个PAN网络。-个终端设备要与其他设备通讯时需要将数据包发送到协调器，由该全功能设备转发数据包到目的终端设备。在网状拓扑结构中，同样有协调器、路由器、终端节点等设备。与树状网络不同的是，这种拓扑比较灵活，并不需要在建立网络时限制网络的形状。网络节点之间可以建立直接的通信链路，通过各个全功能设备中的路由表建立起网状路由，使设备之间可以通过最优的路径通信。网状网通信快捷灵活、可靠性强，但为了支持其强大的路由功能,全功能设备的核心处理器需要更多的存储空间。图2-8 ZigBee网络拓扑结构（三）GPRS技术通用无线分组业务的简称是GPRS，在已有的GSM网络上进行了软硬件升级发展起来的无线数据传输业务。GPRS通信使用资源利用率高的分组交换技术，数据分组收发，让用户能够享受到高速的、在线的、低服务成本的无线通信服务。GPRS技术覆盖范围广、永久在线、传输效率高等特点使得其在工业领域也得到广泛应用，尤其是在远程监测中具有多种优势。GPRS网络是通过在GSM网络中增加网关GPRS支持节点GGSN、服务GPRS支持节点SGSN实现的。其系统结构如2-9图所示，便携设备通过无线连接到GPRS蜂窝电话，通过蜂窝电话与信号塔进行通信;信号塔将GPRS数据分组发送到支持点，图2-9 GPRS网络体系结构SGSN是GSM网络中的一一个支持节点，连接信号塔和GPRS网络。这一点与电路交换方式的数据呼叫不同，不是通过移动交换中心MSC连接到网络。SGSN和GGSN之间采用GPRS隧道协议GTP,实现对X.25或者IP分组的封装，从而使得两者之间可以进行数据传输。GGSN网关节点负责对数据进行处理并发送到因特网或其他的GPRS网络,实现和不同数据网络的互联。三、江河防汛预警系统硬件设计江河防汛预警系统的硬件设计主要包含7个节点，6个终端节点用于采集水位信息和数据处理，并将数据发送给协调器节点。协调器节点主要功能为与6个子节点进行zigbeen组网，形成局域网，并且读取6个子节点数据实时显示，协调器节点可设置报警阈值，并进行水位实时报警，将GNSS信息和水位信息发送给服务器端。总体结构框图如图3-1所示。图3-1 预警系统总体结构图（一）zigbeen最小系统电路硬件设计Zigbeen最小系统简单来说分为两个部分，一个是主控芯片模块，还有个就是RF模块，它是zigbeen进行数据相互传递还有无线通信的硬件基础。在zigbeen的最小系统中采用是晶振电路为系统提供时间周期，采用的晶振是32MHz，通信方式分为串行通信还有控制主从的RF模块以此来实现zigbeen之间的无线通信。Zigbeen所使用的主控芯片是CC2530，这款芯片基本的网络协议符合 2.4GHz IEEE 802.15.4，除此外，TI公司设计的这款芯片也具有一些其他特点，比如具有无线射频的能力，它的灵敏度也相当的高，而且对干扰有很好抵抗能力，还有最重要的一点就是它能够进行休眠，进入低功耗模式，这尤其适用于需要低功耗的情况。而且是宽电压输入2-3.6V。8位MCU(8051)、8KB RAM、具有8路输入和可配置分辨率的12位模拟数字转换器(ADC)、一个符合IEEE 802.5.4标准的MAC计时器、一个常规16位计时器和一个8位计时器、AES-128协作处理器。下图3-2是协调器硬件电路图。图3-2 协调器CC2530电路图（二）节点电源部分设计本设计所采用的电源供电是电池供电，电池电压为9V。在协调器和终端节点的设计上需要满足节点的稳定电压输出和5V以及3.3V供电所以在硬件设计方面需要设计电源，本文采用的稳压芯片是MP1584，将该电源设计为可以调，即可以输出5V或者3.3V供电以满足两种节点的供电。MP1584是MP公司所设计的一款能够具有高频且能够调节的开关电源芯片。它的电压输入端有很宽的电压输入范围，它的输入范围为4.5伏特到28伏特，主要用于降压使用，广泛的被用在了汽车电子产业中。而在它的静态电流只有100ua，这种功耗很适合被运用在使用低功耗的电子设备中，像许多带电池的电子设备。而且,MP1584有很强的抗电磁干扰的能力，像在收音机等射频电子设备中也能得到广泛的使用。其典型的应用电路设计如下所示：图3-3 MP1584典型应用电路图本设计根据应用电路进行原理图的PCB绘制，制作出MP1584电源模块如图3-4所示：图3-4 MP1584电源模块图（三）蜂鸣器报警模块设计声报警电路由一个电阻、NPN三极管S8050和蜂鸣器组成，蜂鸣器的正极接VCC（5V）电源，负极接三极管的集电极，单片机的P1.4引脚通过限流电阻R9来控制基极。当P1.4为高电平时三极管导通，电路接通，蜂鸣器报警。当P1.4为低电平时三极管截止，蜂鸣器的通路断开不报警。图3-5 三极管控制蜂鸣器报警图（四）液晶显示电路带中文字库的128×64是一种具有多种串行接口方式的液晶显示模块，分辨率为128×64, 内置多个汉字和字符集。因其功耗低、体积和厚度小但能实现多种显示的优点，在很多的系统和仪器仪表中得到应用。其电路如图3.9，液晶板接VCC和GND与单片机P0口和P2口相连，可变电阻R1接对比度电位引脚，该阻值决定了液晶屏是否显示，当阻值在一定区域值内才会显示。19和20是背光电源引脚，与VCC和GND相连的同时，加上可变电阻，能使用DA控制，调整背光亮度。图3-6 液晶显示电路图四、江河防汛物联网预警系统综合测试（一）zigbeen组网调试本设计的ZigBee无线传感器网络通信协议栈程序基于IAR平台开发，利用IAR编译软件可以很方便的对协议栈程序进行在线仿真调试。如图4-1所示为使用IAR平台进行Z-Stack协议栈调试的界面，通过下拉菜单可以选择该程序为终端、路由器、协调器三种不同功能的ZigBee节点，这是通过改变协议栈中设备类型的宏定义从而使协议栈各层执行不同的代码实现的。图4-1 Z-Stask协议栈调试使用USB Dongle 抓包器和TI公司的Packet_ Sniffer 抓包软件，可以捕捉空气中的ZigBee无线数据包，有助于ZigBee协议栈的调试和加深对理论知识的理解。打开Packet_Sniffer抓包软件并连接抓包器，将终端、路由器、协调器协议栈程序分别下载到对应节点的CC2530芯片中，本设计调试时使用两个终端节点、一个路由器节点、一个协调器节点;首先启动协调器节点，通过抓包软件可以看到，ZigBee协调器发送了一帧信标请求帧，若此时周围存在全功能节点则将会回复信标帧，协调器通过这些信标帧用来判断周围的网络情况，为创建网络做准备。协调器创建网络成功以后，就会每隔一段时间(默认15s)发送一个网络连接状态帧，这个帧里面携带了协调器的地址0x0000,以及它创建的网络的PAN ID。由ZigBee无线传感器网络的理论知识结合抓包软件图4-2可以直观的看出,终端节点和路由器节点在入网之前的行为相同，都会一直发送信标请求帧，若此时周围存在全功能节点则将会回复信标帧，需要入网的节点拿到这些信标帧用来判断周围的网络情况，根据这些信标帧中的信号强度等指标选择-个最佳的父节点请求加入网络。新节点通过信号质量等标准选择好合适的父节点并决定入网时，会发送一个包含本节点MAC地址的数据帧给父节点请求加入网络;父节点收到请求后由硬件回复应答帧;然后新节点再向该父节点发送一个数据帧，要求父节点将为其随机分配的网络地址发送给新节点;父节点收到请求后由硬件回复应答帧，接着把随机分配的网络地址发给新节点;由于此时新加入网络的节点还不知道自己的网络地址是多少，所以在指定目标地址的时候使用MAC地址;子节点收到自己的网络地址后由硬件回复应答帧;新的节点加入网络后会向整个PAN网络广播自己的网络地址来宣告入网。图4-2 ZigBee节点通信抓包分析终端节点和路由器节点在入网后的行为是不同的。在入网后，终端节点每隔一段时间会给它的父节点发送数据请求帧，以此来告知其父节点自己仍然在本网络中。当父节点接收到其子节点发来的数据请求帧后，会由底层硬件自动回复一个应答帧。而路由器节点作为全功能设备，允许新的节点加入本网络，故其在入网后将会像协调器节点那样每隔一.段时间发送-个网络连接状态帧，以便别的设备发现本节点和所在网络。根据捕捉到的无线数据包可以看出，网络地址为0x0000(即协调器节点)的设备广播了一个网络连接状态帧，另一个网络地址为0x52EA向网络广播网络连接状态帧的节点显然为路由器节点，网络地址为0x72A7的终端2向其父节点0x52EA路由器发送数据请求帧，网络地址为0x65DE的终端1向其父节点0x0000协调器发送数据请求帧。故当前网络拓扑结构如图4-3所示。图4-3调试节点网络拓扑结构（二）GPRS与PC服务器远程通信测试实现GPRS模块与PC机的通信需要使用映射软件配置好内网映射，并使用AT指令将GPRS模块配置为网络透传模式。如图6-4所示，单独调试GPRS模块时，使用串口调试助手对GPRS模块发送配置指令和数据,使用网络调试助手对本PC机IP地址本地端口号6666 进行侦听，由于在花生壳软件上配置过端口映射，故通过GPRS模块发送到域名17077jy054.iask.in，端口32707的数据会到达PC机。图4-4 GPRS模块与PC机远程通信调试（三）下位机水位检测及预警测试本设计下位机基于zigbeen组网进行局域网通信。在传感器节点部分主要由zigbeen模块，电池供电，稳压模块和水位传感器所构成，ZigBeen通过采集水位传感器所返回的电压值就行计算，对应AD值与水位的公式计算出当前水位值,再通过z-stack协议栈将数据发送给协调器节点。协调器部分分为：OLED显示模块，电源供电模块，稳压模块，按键模块，蜂鸣器报警模块,GNSS模块。其中显示屏可以显示目前测试中的6个传感器节点所传回的水位信息，并显示报警水位值，按键可以设置报警水位大小，若水位高于设定的预警水位，则蜂鸣器将进行报警。协调器将所有水位信息以及用过GNSS读取的定位信息通过GPRS发送给服务器，服务器端再由设计的软件从服务器取出数据并进行解析，再将数据通过界面显示和动画模拟水位显示出来。图4-5为传感器节点的水位采集。图4-5 传感器节点的水位采集协调器部分如图4-6所示：图4-6 协调器节点图最终结果上传至服务器，再由设计的软件读取上传服务器数据再解析，得到模拟动画和水位信息如图4-7所示：图4-7 上位机模拟显示水位图五、总结本课题研究为江河防汛预警系统，此系统基于zigbeen进行组网，并且通过液位传感器采集液位高度，将数据通过Z-Stack协议栈发送给协调器，协调器收集数据，可进行报警阈值设定且可以实时报警，再将GNSS数据和水位数据通过GPRS传输给服务器，上位机读取服务器数据进行实时显示，并通过动画模拟水位信息。在本设计中本人主要负责硬件设计以及水位采集，经过本次设计熟练的掌握了altium designer电路板设计软件，并了解了AD转换以及zigbeen的Z-Stack协议栈，以及了解液位检测原理及应用。在本次毕业设计将理论和实践相结合，以后的工作学习中也要做到如此。参考文献1 Zujue Chen,Qiuyue Guo,Zhan Shi.Design of WSN node for water pollution remote monitoringJ.Telecommunication systems: Modeling, Analysis, Design and Management,2013,53(1):155-162.2 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