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一种市政管网无线监控装置设计与开发

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摘要:针对市政地下管网监控系统建设需要,研发了一种由STM32L与JN5168-001-M05组成的无线管网监控装置。论文重点围绕系统硬件设计、软件设计开展了研究和开发工作,并通过性能测试和工程应用验证了可靠性。结果表明,本装置满足了市政管网全自动化实时监测与无线远程控制功能的需要,具有及时、高效、低能耗、低成本、准确方便等优点。

关键词:无线传感器网络;市政管网;设计与开发

引言:

随着城市化发展的进程日益加快,城市管网的建设速度快、规模大、更新速度快,对于管道日常监控与管理的难度加大。近年来,由于对管道监控不及时,造成管道内压力过大、流量过快导致的管道破损甚至爆炸事件时有发生,对社会秩序、城市功能、环境与资源等造成不同程度的破坏,给人民生活、经济社会发展和城市正常运转带来了较大影响。

1管网监控系统架构

无线管网监控系统网络架构,系统分为三层,上层为应用服务器层,通过通信服务器与sinkSink无线通信,第二层为无线自组织通信网络层,通过无线监控装置与现场监控终端设备采用总线、模拟信号或数字信号通信,第三层为无线监控装置与现场监测传感器或控制阀门等组成的现场监控终端设备层。无线监控装置在系统中的作用为,先将管网中一定区域的变送器采集数据进行收集与处理,并依托无线传输技术与GPRS技术,将数据进行上传;另外,通过转发上位机与现场终端设备的控制命令传输,进而达到远程控制作用。

2监控装置设计要求

根据市政管网具体应用需求,研究确定了监控节点装置的设计功能及要求:①与多个监测节点通信(空旷地通信距离不低于200米);②定时上传监测数据、阈值超限报警;③可动态调整数据更新时间;④通过无线传输(GPRS)和上位机通信;⑤具有数据暂存功能,具有外部存储器;⑥监测节点故障报警功能;⑦数字232、485接口,调试接口;⑧4路AD采集端口(采集信号范围4-20mA,12bit分辨率);⑨4路开关电路,用于控制传感器供电;

Sink结构示意图

3监控装置总体设计

管网监控装置分为采集节点和sink两部分。采集节点主要负责区域内变送器数据的检测与汇总;sink主要通过无线传输将采集节点数据进行获取,并做处理后,通过GPRS上传至服务器端;并可实现sink对于阀门的控制。为了降低设计难度与提高通用性,监控节点与sink在硬件方案上采取相同设计,仅通过软件控制两节点工作方式的不同。

3.1监控节点方案

监控节点方案共分为九大部分,其中主控芯片负责协调与管理各个模块工作并将采集数据进行处理;电池与电源管理芯片负责给监控节点提供备用电力并在有市电电源供电情况下的充电工作;时钟芯片负责给系统提供实时时钟,以保证系统正常工作;FLASH芯片负责数据的存储功能;无线通信模块负责监控节点与sink的通信与数据交换;模拟接口为预留给变送器4-20mA模拟信号输入接口;数字接口为预留数字量信号输入接口;通讯接口为预留调试接口。监控节点通过主控芯片控制,通过模拟接口采集当前变送器参数,并通过无线通信模块将数据传输至sink。

3.2sink方案

sink方案共分为九大部分,其中主控芯片、电池与电池管理芯片、时钟芯片、FlASH芯片、无线传输模块均与监控节点方案一致。替换了GPRS模块,用于远程的数据上传功能;RS232接口用于与电脑进行串口通信。RS485接口负责与阀门通信。

3.3系统工作原理

(1)sink和采集节点以一定的周期采集各种数据,此周期可设置调整。此部分涉及到CPU与片上外设之间的数据通信。

(2)采集节点自己采集到的数据通过RF网络,WSN网路(WirelessSensorNetwork),传输到sink,一个sink可连接多个采集节点,采集节点和sink之间的RF网络定期开放,自主组成多跳中继网,数据传输完成后关闭以省电。

(3)sink收集到自身及其他采集节点的数据后,打开GPRS网络,将数据发送至远程数据服务器,数据发送完成后关闭。此部分涉及到CPU对GPRS模块的控制与数据通信,以GPRS链路为数据承载途径,CPU与远程数据服务器进行数据交互。

4监控装置硬件设计

4.1主控芯片方案

管网监控系统对于功耗要求较高,且系统需要具有数据采集、数据存储、数据上传功能。所以,无线监控装置选用STM32L系列低功耗单片机。STM32L微控制器系列基于Cortex-M3内核,其与STM32F系列在引脚分布上兼容,并与其子系列间管脚、软

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