【正文】 理是利用水的導(dǎo)電性將水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種傳感器適用于腐蝕性液體的測量。4超聲波水位傳感器超聲波水位傳感器是根據(jù)水能傳播聲波的特性研制的。這種根據(jù)傳熱原理研制的傳感器，是將水位測量轉(zhuǎn)化為溫差測量。3傳熱式水位傳感器這類傳感器是基于水的導(dǎo)熱特性而研制的。壓阻式水位傳感器靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非電量測量技術(shù)中非常重要的檢測手段。壓阻式水位傳感器水位取樣的基本原理是基于單晶硅材料的壓阻效應(yīng)。二是無法在流動的水中測量水位，需建測井。浮子式光纖水位傳感器是一種常見的浮體式水位傳感器。其采集水位信號的原理是:浮體浮于水面隨水升降，同理浮體隨水位移的信號，通過浮體以一定方式傳遞出去，實現(xiàn)水位采集。實際工程中常用的水位傳感器主要有以下幾種類型【，4，5，6]:1浮體式水位傳感器這類傳感器是根據(jù)水的浮力來實現(xiàn)水位采樣的。嵌入式平臺大多都是發(fā)達(dá)國家提供的產(chǎn)品，國內(nèi)在平臺設(shè)計方面比較落后，但是本研究室也能夠接觸到國際上比較先進(jìn)的嵌入式平臺，能夠為系統(tǒng)構(gòu)建良好的硬件基礎(chǔ)。國際上處于領(lǐng)先水平的技術(shù)相對于國內(nèi)技術(shù)的優(yōu)勢在于:傳感器技術(shù)更先進(jìn)，監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計能力更強，從業(yè)公司比較多，市場認(rèn)知度比較高。但是國內(nèi)外這方面的研究成果還是具有一定的差距。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，無論是在國內(nèi)還是國外，嵌入式技術(shù)都己經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，其可靠性也得到了廣泛地驗證[3]。第六章，給出了ZigBee在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用實例，首先分析了傳感器終端節(jié)點的設(shè)計，對水文傳感器進(jìn)行了選型，然后分析了終端節(jié)點的軟件設(shè)計，最后，從通信距離數(shù)據(jù)傳輸丟包率兩個方面對該應(yīng)用實例進(jìn)行了實驗和性能分析。第五章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件進(jìn)行了分析和設(shè)計，首先提出了軟件的整體結(jié)構(gòu)，然后依次介紹了軟件開發(fā)環(huán)境的建立、林c/os一n嵌入式操作系統(tǒng)在LPc2210上的移植、SMAC協(xié)議棧的移植、系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計等。第三章，從系統(tǒng)的功能和性能需求分析出發(fā)，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對系統(tǒng)的組成、工作原理和系統(tǒng)特點等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本文分七章對基于ZigBee和GPRS的無線水文監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計，主要章節(jié)內(nèi)容安排如下:第一章，首先論述了本課題的背景背景和意義，然后介紹了國內(nèi)外水文監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，接著分析了水文監(jiān)測系統(tǒng)中常用的幾種無線組網(wǎng)技術(shù)，提出了ZigBee無線水文監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，最后對論文的結(jié)構(gòu)安排進(jìn)行了說明。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定規(guī)模的水情、雨情信息自動測報系統(tǒng)。目前，從水利部機關(guān)到各流域、各省市實現(xiàn)了水情、雨情信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實現(xiàn)了信息的自動化接收、處理和分析。2001年，水利部印發(fā)了《全國水利信息化規(guī)劃綱要》，提出了全國水利信息化的發(fā)展思路。八十年代中后期開始的十余年為發(fā)展期。二十世紀(jì)七十年代中期開始到八十年代中期為初級階段。在監(jiān)測設(shè)備方面，國外的數(shù)據(jù)采集終端除了具有數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、處理和傳輸這些基本功能外，在傳感器集成、多參數(shù)采集、監(jiān)測設(shè)備智能化方面技術(shù)也比較成熟。通信方式多樣化且十分先進(jìn)。所有測站均實現(xiàn)無人值守，其監(jiān)測系統(tǒng)集成化和綜合程度比較高。日本在37萬kmZ的國土面積上，建有26個雷達(dá)雨量站，2500個地面雨量站和2100個水位站，觀測范圍覆蓋整個日本。近年美國的suTRON公司被美國海洋和大氣局 (NOAA)授權(quán)研制下一代水位測量系統(tǒng)州GwLMs)。其中自報式超短波系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺獲得廣泛的應(yīng)用，而且美國是大面積使用流星余跡通信進(jìn)行水文遙測的唯一國家。美國既是工業(yè)先進(jìn)、通訊、交通網(wǎng)非常發(fā)達(dá)的國家，又是幅員廣大、人口密度不均的國家。90年代以后，國際上多家公司退出了功能強、應(yīng)用范圍廣的產(chǎn)品，在水利水電、氣象等領(lǐng)域都適時得到應(yīng)用。1976年美國SM公司與美國氣象局合作研制的一套水位自動監(jiān)測設(shè)備。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的提出，以及水文監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，ZigBee技術(shù)在水文監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，并具有其它幾種無線技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。水文監(jiān)測有它特定的應(yīng)用背景，一般都在比較偏僻的區(qū)域，這使得很難通過架設(shè)有線來完成數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況下，使用無線通信是一種很好的選擇。因此傳感器能否準(zhǔn)確地檢測水位、穩(wěn)定運行就成為了關(guān)鍵。但距離水文工作現(xiàn)代化還有很大的距離。至90年代初，我國很多地方水文測報設(shè)施經(jīng)過幾十年的運行，大多處于陳舊老化的報廢狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)施破爛不堪、難以承擔(dān)日常水文測報工作的局面。我國水資源不平衡，幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，水位測量工作仍存在一些困難。水位測報系統(tǒng)對充分發(fā)揮防汛減災(zāi)，合理利用水資源具有十分重要的意義。第一章緒論我國洪水災(zāi)害頻繁，給國家和人民生命財產(chǎn)造成了重大損失。為增加洪水有效預(yù)見期，提高水文預(yù)報的精度，及時準(zhǔn)確地為防汛和水利水電調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)，20世紀(jì)70年代我國開始建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)。水情測量數(shù)據(jù)是重要的水文參數(shù)，水位測量的精度和實時性，直接影響到水庫防洪安全、發(fā)電灌溉等。在大型發(fā)電站、重要水文站水位測量技術(shù)相對先進(jìn)一些，而普通的報汛站和水文監(jiān)測站的測量技術(shù)仍處于比較落后的狀態(tài)，水文站測洪能力不適應(yīng)監(jiān)測大規(guī)模洪水的要求。近年來，在國家計委和水利部的關(guān)心下，我國水文建設(shè)項目增多，建設(shè)步伐加快，使得水文測報設(shè)施破舊落后的狀況得以改善。在新形勢下，水位檢測要求穩(wěn)定和準(zhǔn)確，傳感器必須準(zhǔn)確的檢測到水位信息，并通過變送器把水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的呈現(xiàn)給觀測人員。有些國家水位監(jiān)測技術(shù)依然處于比較落后的狀態(tài)，在很多地區(qū)的河流、湖泊或水庫，還在使用比較落后的監(jiān)測設(shè)備，有些地方還在通過人工采集水文數(shù)據(jù)，這顯然不能滿足現(xiàn)代化水位監(jiān)測的要求。當(dāng)前使用的GPRS、GSM、微波和數(shù)傳電臺等都有一定范圍的使用，但它們都有其適用的局限性。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型計算機和單片機的出現(xiàn)和發(fā)展水位監(jiān)測技術(shù)有了較快的發(fā)展。80年代以來，由于遙控設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式和微機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，水位監(jiān)測和防洪調(diào)度自動化技術(shù)在全世界得到廣泛的應(yīng)用。在國外，美國和日本是較早開始水文自動化技術(shù)研究的國家。因此各種制式、各種通信方式的測報系統(tǒng)均比較發(fā)達(dá)。使用衛(wèi)星的系統(tǒng)如極軌衛(wèi)星環(huán)境數(shù)據(jù)(包括水文數(shù)據(jù))收集系統(tǒng)ARGos系統(tǒng)，及大量氣象同步衛(wèi)星平臺，均可進(jìn)行水文數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)將會集成目前的海平面及大流域測量網(wǎng)絡(luò)，用最先進(jìn)的傳感器，衛(wèi)星傳輸手段，集中數(shù)據(jù)處理及接收。這些測站采用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)傳輸?shù)焦な率聞?wù)所，收集全國的水文信息僅用10分鐘，且每小時更換一次信息，事務(wù)所也可以通過監(jiān)視器察看測站的運行情況。對于水文監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和研制，國外發(fā)達(dá)國家始終處于領(lǐng)先地位，其特點是:系統(tǒng)發(fā)展比較完善，傳感器測報設(shè)備先進(jìn)可靠。分析預(yù)報技術(shù)成熟并積極采用各種先進(jìn)的技術(shù)。我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)包括三個階段:初級階段、發(fā)展階段和網(wǎng)絡(luò)化階段。水文信息化從1980年開始，起步于信息源的處理。九十年代后期，為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度現(xiàn)代化、信息化的要求，以及近代通信、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的時代特點，水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化階段。在水利系統(tǒng)的信息化工作中，防汛信息系統(tǒng)建設(shè)起到了先鋒帶頭作用。在國家防汛指揮系統(tǒng)工程項目的總體設(shè)計中，提出了在全國將建立224個水情分中心、228個雨情分中心。我國的水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)過近三十年的發(fā)展經(jīng)驗積累，雖然已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但總體來說，大部分地區(qū)的水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)還不夠合理和完善，整體水平仍相對落后，與西方發(fā)達(dá)國家還存在著很大的差距，信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后，信息時效性差，不能滿足當(dāng)今對水文數(shù)據(jù)實時、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測的要求。第二章，對 ，然后介紹了ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)，為以后的設(shè)計打好基礎(chǔ)。第四章，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件進(jìn)行了分析和設(shè)計，分為最小系統(tǒng)設(shè)計和外圍接口電路設(shè)計兩部分，對各個電路的芯片選型、特點、電路設(shè)計原理等進(jìn)行分析和介紹，并給出了各個電路的電路原理圖或示意圖。其中，系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計中，對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了劃分，分析了任務(wù)間的通信方式，然后對各個任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計，并給出了軟件的流程圖。第七章，對本論文研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對系統(tǒng)今后進(jìn)一步的工作進(jìn)行了展望。嵌入式技術(shù)應(yīng)用于水利土木監(jiān)測領(lǐng)域，為各種安全監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支持。主要體現(xiàn)在，國際先進(jìn)水平的水利土木安全監(jiān)測系統(tǒng)，己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，形成了一定的市場規(guī)模和占有率。國內(nèi)這方面的研究目前開展的也很多，發(fā)展相對來說也很快，市場前景也比較看好。在無線通信技術(shù)方面，也可以接觸到國際上比較先進(jìn)的無線通信技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)特點是必須有浮體浮于水面。浮體式水位傳感器依據(jù)浮體傳遞水位信號方式的不同，又可劃分為不同種類。浮體式水位傳感器的主要缺點有兩個:一是冬季結(jié)冰時無法正常工作。2壓阻式水位傳感器水具有壓力，并且水的壓力與水的深度成正比，利用水的這一性質(zhì)采集水位信號的傳感器，被稱為壓阻式水位傳感器。也就是說，半導(dǎo)體單晶硅在受到水的壓力后，其電阻會發(fā)生改變，且改變量與水的壓力成正比。這類傳感器的主要缺點是，在大應(yīng)變狀態(tài)中有較明顯的非線性，輸出信號弱，故抗干擾能力差。水的導(dǎo)熱速度與空氣相比差別很大，若將功率一定的發(fā)熱體分別置于水及其同溫的空氣中，發(fā)熱體表面的溫度顯著不同，即發(fā)熱體在水中的表面溫度低于其在空氣中的溫度，發(fā)熱體功率越大，差別就越明顯。這種傳感器能滿足可靠性的要求，但精確度較低。超聲波水位傳感器采集水位信號的原理是:傳感器內(nèi)部放射源向水表面發(fā)射超聲波，水反射部分回波，這種反射波被同一傳感器探測，并轉(zhuǎn)換成電信號。5導(dǎo)電式水位傳感器自然界的水具有導(dǎo)電性，人們利用水的導(dǎo)電性研究出了各種水位傳感器，人們把這些水位傳感器統(tǒng)稱為導(dǎo)電式水位傳感器。轉(zhuǎn)換方式有兩種:一種是將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化。根據(jù)水位信號轉(zhuǎn)換成電信號的不同方式，導(dǎo)電式水位傳感器可分為兩種類型:(1)電容型水位傳感器這種傳感器是利用的水的導(dǎo)電性，把水構(gòu)成電容器的一個極板，將水位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來檢測水位信號的。與其它水位傳感器相比，電容型水位傳感器具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應(yīng)好、對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。它利用水的導(dǎo)電性，通過水位變化與相應(yīng)的電極接通，把水位信號轉(zhuǎn)換成電信號。電極用金屬材料制成，縱向依次排列在空芯棒外或安裝在棒內(nèi)，但必須使電極能夠與水接觸。安裝使用都很方便、性能較穩(wěn)定、價格低廉，因此備受用戶歡迎?！案袘?yīng)式水位傳感器”就是是其中的一種，該傳感器應(yīng)用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集的新技術(shù)，采用全數(shù)字化電路，通過刻度采集水位信號，從開始采集水位信號就實現(xiàn)了數(shù)字化，經(jīng)過內(nèi)部電路處理，輸出電流信號，由于從采集水位信號到輸出的信號是全數(shù)字的，數(shù)字信號受溫度的影響很小，不但解決了微弱信號抗干擾的問題，而且也基本克服了溫度漂移問題。(l)數(shù)傳電臺 (dataradio):借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電匕頭口0 (2)GPRs(GeneralPacketRadioservice)通用分組無線業(yè)務(wù):一種基于包的無線通訊服務(wù)。(3)無線射頻身份識別系統(tǒng)(RadioFre明 eneyIdent飯 cationSystem，簡稱RFn〕):邵ID是針對常用接觸式識別系統(tǒng)缺點加以改良。川(5)紅外線通訊技術(shù)(LDA):一種廉價、近距離、無線、低功耗、保密性強的通訊方案，主要應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸，有時也用于無線網(wǎng)絡(luò)接入和近程遙控。(7)ZigBee技術(shù):zigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。水位監(jiān)測屬于水利土木安全監(jiān)測的一個分支，是一項有重大實際意義的研究課題。從最早的人工觀測，到使用電纜傳輸數(shù)據(jù)的有線觀測方法，再到現(xiàn)在的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以說新技術(shù)層出不窮。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案在感應(yīng)式水位傳感傳統(tǒng)應(yīng)用中，需要給傳感器接上電源線、地線和信號線，即使用戶不需要水位數(shù)據(jù)，傳感器也始終處于工作狀態(tài)。介于如上問題，本系統(tǒng)的設(shè)計思路是:(1)采用無線通訊和太陽能供電，無需安裝電纜。(3)控制系統(tǒng)處于“休眠”和“喚醒”狀態(tài)，平時下位機處于“休眠”狀態(tài)，當(dāng)用戶需要水位數(shù)據(jù)并向下位機發(fā)出水位采集命令時，下位機才被“喚醒”，從工作方式上降低功耗。系統(tǒng)總體設(shè)計方案在項目開始之前，首先認(rèn)真分析了用戶的實際需求，確保用戶提出的需求是可以實現(xiàn)的，接著實地考察了大連站北廣場的地形結(jié)構(gòu)，然后綜合考慮本研究室的技術(shù)實力、產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品維護(hù)以及升級的方便程度等因素，提出了本文的設(shè)計方案。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用一種高性能、低功耗的單片機，對各個部分進(jìn)行自動控制，以降低儀器的整體功耗。當(dāng)定時時間到達(dá)時，儀器內(nèi)部的自控電路將自動接通單片機、傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的電源，依次選通各路模擬信號，完成放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號經(jīng)單片機的數(shù)據(jù)總線調(diào)入單片機內(nèi)部，由單片機處理后存入RAM（數(shù)據(jù)存儲器）內(nèi)保存。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示2系統(tǒng)器件選擇 MSP430系列單片機選擇MSP430系列單片機是美國德州儀器公司（TI）近幾年開發(fā)的新一代16位單片機，具有強大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、多種時鐘模塊，適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境。該系列單片機典型應(yīng)用是智能儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、保安系統(tǒng)和家電等方面。 GSM模塊目前，我國已基本上建成了可以覆蓋全國大多數(shù)省區(qū)面積的移動通訊網(wǎng)絡(luò)，特別是在人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市周邊地區(qū)，移動通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積幾乎接近100%。TC35—,可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段,所在頻段功耗分別為2w(900M)和