《基于无线传感器网络的明渠流量测量系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于无线传感器网络的明渠流量测量系统设计（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2 9 卷第4 期增刊 仪器仪表学报 V o l2 9 N u4 1 塑! ! ! 旦! 堕! ! 些! ! ! ! 1 1 堕! ! ! ! 些! 坐! 堕! ! 竺! 型垒匹! 塑! 基于无线传感器网络的明渠流量测量系统设计+ 白占元徐皑冬赵伟王乐辉 川- 科院沈自动化研究所洮阳1 f O O l 5 ) 摘要设计T 一种特无线传感目络和超卢波测技术相结台的B 歇尔槽明槊最测量系统，谆系统中将超声波测距元件 与无线传感嚣节点相连米捌量液位舯高度值进i 换算得到该流量值，无线估感器网络节点遵从Z i g B e e 无线通信协议进行 通信，井在 机界面显示各流量值。 关键目无线传搏器月络Z
2、 i g b e e 超声硅 B 歇尔槽 U n c o v e r e dC a n a lF l u xM e a s u r e m e n tS y s t e mB a s e dO i lW i r e l e s sS e n s o r N e t w o r k s B a l Z h m l y u m lX u A i d o n g Z h a o W e lW L e h u ( S h e n y 肼g m l t j M o f A u m m “i o n C A SS h a n y a n 9 1 1 0 0 1 6 C h i n a ) A b s t
3、r a e tD e s i g n e dap a r s h a l lf l u m eu n c o v e r e dc a n a lf l u xm e B s u c e m e n ts y s t e mw h i c hc o m b i n e dt h eu l t r a s o n i c d i s t a n c e e n tt e c h n o l o g ya n dW i t l e s sS e n s o rN e t w o r k st e c h n o l o g yI nt h es y s t e mc o n w ( 3 t st
4、h e u l U a s o n i cc o m p o n e B t s t o t h e W S Nn o d e t o u m t h ed is t a n c e f r o m t h en o d e t o t h e 【e v e lo f t h e w a t e ra n d t h e n c a l c u l a t e so u tt h ef l u xW S Nn o d e sc o m m u n i c a l ema c c o r d a n c ew i t hZ i g B e cw l r e l e s sc o m m u n
5、i c a t i o np r o t o c o l a n d t h e f l u xv a I u e sa l ed i s p l a y e do n t h e M l K e yw u r d sW i m l e s s S e n s o r N e t w o r k sZ i g B e e U l t r o s o n i c p m s h a i lf l u m e 1 前言 水土保持工作时发压I 区、丘陵区和风沙医的 生产和建设整治嘣土、治理江河、减少干旱和 风沙灾害等方面都具有重要意义，作为为水土保持 上作重要的组成部分，山区、丘陵区各径流区段的 流
6、量的准确测量，对于水土保持工作的相黄研究有 若非常重要的意义。 2 系统组成及测量原理 21 系统结掏 山随和丘陵医的地形特点懂得布线相对比较 圃难，吡且山区的供电受气候的影响也比较到，常 常不能保证持续的电力供应。针对这种情况，将超 声波测流技术与基卜Z i g B e e 通信方式的正线传感 器网络( W i r e l e s sS e n s o r N e t w o r k s ，W S N ) 相结台来 实现流量的测量。 系统的构成如图1 所示，本4 流系统通过V r S N 流量测量节点E 的超声波元件来测量径流段中的 巴歇尔槽液位到节点的距离进而得到液化的高度 值，并经汇聚点
7、通过咀太网发送到上位机流量* I 量 软件，实现对菩测量点的流量的监测。无线传感器 网络不仅可啦实现太规模节点布置，还可以摆脱有 线对节点放置位置的局限，增加系统的灵活性，无 线传感器网络肖点采用低功耗的电池供电方式，定 时采集流量值并具备大量数据存储能力，凼而可咀 适应I J 地和丘陵等无法供电的应用环境。 、 ，1 、 、-t，r。 一 目I 明第毋测量磊境杓m 圈 22 巴歇尔槽液位高度与流量的关系 巴歇尔槽( P a r s h a l ln 岫e 1 简称P 槽或巴氏槽是 种明渠量水堰槽。巴歇尔懵为矩形横断面短喉 第4 期增刊 白占元等：基于无线传感器网络的明渠流量测量系统设计 道槽
8、，由上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀Z i g B e e 的W S N 发送该W S N 节点处液位高度值信息。 扩散段3 部分组成，水位与流量的关系如下： Q = O 3 7 2 b ( 3 2 8 h ) 1 5 6 9 口( 1 ) 式中：萨矿。0 2 6 ；6 为喉道宽；Q 为常数；h 为液 面高度f 甜。 根据超声波测距原理，可以得到如下公式： 矗= 厶I 2 c t( 2 ) 式中c 为空气介质中声速，r 为超声波脉冲从 w S N 测流节点到液面的往返时间，三为W S N 测流节 点到槽底的高度，从而得到液面高度h 。 2 3 基于z i g a e e 的无线传感器网络简
9、介 无线传感器网络由无线节点和汇聚点组成，本 无线传感器网络采用的Z i g B e e 无线通信技术， Z i g B e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络 技术。是一组基于I E E E8 0 2 1 5 4 无线标准研制开 发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要 适合于承载数据流嚣较小的业务。Z i g B e e 技术并不 是完全独有、全新的标准，它的物理层、M A C 层和 链路层采用了I E E E8 0 2 15 4 协议标准，但在此基础 上进行了完善和扩展，其网络层、应用会聚层和高 层应用规范由Z i g B e e
10、 联盟进行了制定。 3 系统设计 3 1 无线传感器网络测流节点 3 1 1 无线传感器网络测流节点硬件设计原理 无线传感器网络测流节点用于明渠液位高度 的测量，并将测得高度值传送到上位机流量测量软 件，W S N 测流节点的组成包括基于无线射频模块、 微控制器模块、超声波模块、I D 模块、实时时钟、 E E P R O M 和电源模块，W S N 节点的电路原理图如图l 所示。 在微控制器模块，以超低功耗的M S P 4 3 0 F 2 4 7 1 作为微控制器，其具有5 种低功耗模式，使其更加 适合于由电池供电的手持测量设备方面的应用。该 微控制器具有两个1 6 位定时器，同时具有S P
11、 I 和 1 2 C 串行通信接口。 射频模块采用C C 2 4 2 0 芯片，是一款应用于消费 性电子、无线控制器、工业、科研、医疗等场合的 2 4 G H zI E E E 8 0 2 1 5 4 的无线收发芯片。C C 2 4 2 0 通 过S P I 接口与微控制器相连，用来接收上位机流量 测量软件的功能配置和初始化信息，通过基于 图2W S N 超声波测流节点电路原理图 图3W S N 测流节点程序流程图 E E P R O M 用于存储W S N 节点的配置信息，以及 测量得到的液位高度值。 实时时钟采用D S 3 2 C 3 5 芯片为系统提供测量时 钟，通过1 2 C 串行总线
12、与微控制器相连，保障系统 测量的准确周期性，并为测量数据提供对应的时间 参数。 超声波模块与微控制器连接，将微控制器产生 第2 9 卷仪器仪表学报 的4 0 1 ( l z 脉冲经换能器转换成超声波信号发射出 去，并接收液面反射回来的超声波，得到超声波收 发的这段时间值，进而得到液位的高度口1 。 I D 模块采用D S 2 4 0 1 来配置节点的身份序号，以 便区分各个W S N 节点，以及根据该身份序号来对应 其在上位机流量测量软件中的信息，进而显示其对 应的明渠内的水流量信息。 同时，液位测量节点可根据测量时的温度的不 同，对超声波测量的液位高度值做以修正，使得结 果更加准确。 3 1
13、 2W S N 节点软件流程 W S N 流量测量节点的软件流程如图3 所示，首先 W S N 节点接收上位机流量测量软件发送过来的配置 信息来配置节点参数，比如测量周期、实时时钟等 信息。w S N 节点根据实时时钟的流量采集周期，产 生4 0 k H z 的脉冲并启动微处理器内部定时器，从而 得到超声波脉冲的往返时间，根据公式( 2 ) 得到 液位的高度值，并将测得的高度值进行存储，通过 W S N 发送液位高度值到W S N 汇聚点，进而提供给上 位机流量测量软件。 3 2 无线传感器网络汇聚点设计 W S N 汇聚点是W S N 节点与上位机流量测量软 件数据信息交互的中介，W S N
14、 汇聚点包括射频模 块、微控制器模块、E E P R O M 模块、l D 模块、以太 网接口模块、实时时钟和电源模块，W S N 汇聚点 的硬件原理图如图4 所示。 图4W S N 汇聚点硬件原理图 无线传感器模块同样采用C C 2 4 2 0 芯片，无线模 3 8 1 块用来实现W S N 流量测量节点和上位机流量测量 软件之间的通信，将上位机流量测量软件的配置和 初始化信息发送给W S N 节点，将W S N 节点发送过来 的液位高度信息上传给上位机流量测量软件。 W S N 汇聚点选用P I C l 8 F 9 7 J 6 0 作为微控制器，具有 I E E E8 0 2 3 兼容的以
15、太网控制器，集b T d V l A C 和 1 0 B a s e - TP I q Y ，2 个主控同步串行口模块，支持S P I 和1 2 C 主从模式。微控制器通过S P I 接口与C C 2 4 2 0 相连，用来接收无线传感网中各测量节点发送过来 的液位高度值，并通过以太网接口与电脑相连，将 各无线传感器网络节点采集的液位高度数据信息 上传到上位机流量测量软件，并根据公式( 1 ) 求 得该高度值对应的流量，从而实现对各节点所监测 流段流量数据的采集，为水土保持相关的分析提供 准确的数据依据。 3 3 流量监测软件 流量监测软件作为本系统中的人机界面，操作 员可通过该软件对各W S
16、 N 节点功能进行配置和初始 化，同时接收来自W S N 的液位高度值，进而根据 公式( 1 ) 算出该液位高度值对应的W S N 流量测量 点对应的流量值，并将其在流量测量软件中显示以 及数据记录。 4 结论 本系统采用超声波技术测量液位的高度，以 Z i g B e e 作为无线传感网的信息传输方式，将无线传 感器网络技术与超声波测距技术相结合，实现大规 模W S N 节点布置，采用低功耗电池供电的工作模 式，完全适应山区、丘陵区在地形、布线和供电方 面的特点，实现对相对分散的山区、丘陵径流各区 段位置的径流量数据的采集，并可定期将各流量数 据发送到上位机测量软件上，为水土保持提供数据 上的分析依据。 参考文献 1 明渠堰槽流量计 Z 国家技术监督局发布1 9 9 1 2 徐乐年，员玉良，陈明巴歇尔槽在智能流馈传感器中 的应用 J 仪表技术与传感器，2 0 0 7 ，6 ：6 - 7 3 刘刚，
