基于ZigBee的水位自动检测与控制系统学士学位论文.doc
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1、哈尔滨师范大学学士学位论文题 目 基于ZigBee的水位自动检测与控制系统专 业 计算机科学与技术系 别 计算机科学与技术学 院 计算机科学与信息工程哈 尔 滨 师 范 大 学学士学位论文开题报告论文题目 基于ZigBee的水位自动检测与控制系统学生姓名 指导教师 年 级 2009级专 业 计算机科学与技术2013年3月5日课题来源:计算机学院论文备选题目课题研究的目的和意义:水箱在现代生活中有着广泛的用途,如作为城市乡村生活、生产用水储备,太阳能热水器储水设备等。合理利用水资源具有十分重要的意义,水位测量的精度和实时性,便直接影响到水箱功能的完整实现与水资源合理利用。传统的水箱仅发挥储水功能
2、,在水的储存、使用、检测等诸多方面依然采用人工手动的方法,效率低且使用非常不方便。从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看,主要存在以下问题:首先,记录方式以模拟方式为主,就是数字方式记录的,也很难方便的输入计算机处理;其次,数据处理基本靠人工处理判断,费时易错;最后,水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差,无法适应现代水文的需求。在许多偏远地区,特别是居住相对分散的农村地区,供水问题也待解决,如果仍然沿用人工方式,劳动强度大,工作效率低,安全性难以保障。因此,要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。目前水位自动控制系统有很多成熟的产品,控制手段主要有单片机监控、比较电路监控、利用单
3、片机和传感器构成水箱水位恒定的控制系统等,运行可靠,可实现远程监控和无人值守。水箱供水的主要问题是箱内水位应始终保持在一定范围,避免空箱、溢水现象发生,本文设计一款简单实用符合要求的水位自动控制系统,满足及时、准确、安全和保证充足供水:采用单片机系统控制,使水箱内水位保持恒定,以保证连续正常地供水,实际供水过程中确保水位在允许的范围内浮动,且设计了溢水报警功能,达到智能控制的目的;基于zigbee技术实现远程监控的目的,实现水位的检测控制、处理报警,使水箱功能更加完善,更符合现实生活应用。国内外同类课题研究现状及发展趋势:1.国外相关的研究现状在国外,美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国
4、家。对于水文监测系统的开发和研制,国外发达国家始终处于领先地位,其特点是:系统发展比较完善,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、处理和传输这些基本功能外,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。2.国内相关的研究现状张盛教授曾在科技广场中发表文章基于AT89C51单片机的水箱水位检测控制系统设计,给出以Atmel 公司的AT89C51 单片机为核心器件的水箱水位检测控制系统设计,实现水位的检测控制、处理、报警和液晶显示水位等功能,并在Proteus 软件环
5、境下实际仿真。3本课题的发展趋势有些国家水位监测技术依然处于比较落后的状态,在很多地区的水箱、水箱,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。水位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,以及水位监控网络化的需求,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拟的优势。4ZigBee技术的现状及发展前景Z
6、igBee于2002年ZigBeeAlliance成立,到2006年联盟推出比较成熟的ZigBee 2006标准协议。当Zigbee几年前刚出现时,它的支持者曾设想这种基于IEEE802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中,成本是第一王牌,而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些Zigbee支持者来说,当初的设想并没有成为现实。随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动,整个ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展,在5大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下,基于ZigBee应用层出不穷,并和
7、我们的实际生活接轨,让人们的生活更加智能美好,ZigBee芯片全球销售收入逐年递增。ZigBee技术的应用十分广泛,芯片出货量也连年递增,但总体来说,ZigBee市场仍然处于起步探索阶段,还没有真正起飞,主要表现在可应用的终端商用产品还多处于研发阶段,真正上市的不多,具有典型应用的方向和领域便少,点对点的应用较多,体现ZigBee优势的网状网络应用少,缺乏体现ZigBee大型组网应用。作为离我们最近的中国市场,ZigBee产品的应用爆发可能需要的时间更长,中国的无线网络市场还未成熟,本土厂商的参与度还非常有限,未来ZigBee产业人士要加大无线自动抄表系统,车用无线领域等工业应用,便携设备等高
8、端市场的应用。课题研究的主要内容和方法,研究过程中的主要问题和解决办法:1. 课题研究的主要内容(1)水箱上水控制;(2)水箱水位监测;(3)水箱水位信息反馈;(4)远程监测及控制;(5)zigbee无线技术应用;(6)上位机水位监测软件的使用。2. 课题研究的主要方法(1)大量阅读相关资料和文献;(2)分析算法并拟定改进方案;(3)设计并实现相关算法,搭建实验平台进行仿真;(4)对仿真结果进行分析。3. 研究过程中遇到的主要问题(1)检测状态;(2)控制水泵;(3)Zigbee传输;(4)传感器的接法跟用法;继电器的接法。4. 解决主要问题的方法(1)测试实验;(2)控制实验;(3)课外调查
9、;(4)软件模拟。课题研究起止时间和进度安排:1起止时间2013年1月2013年5月2进度安排2013-1-112013-3-5 确定论文题目,查找资料,撰写开题报告2013-3-6 2013-3-20 查找资料,进一步分析题目研究内容2013-3-212013-4-10 撰写论文并送老师第一次审查2013-4-112013-4-30 论文第二次修改,老师第二次审查2013-5-1 2013-5-9 论文第三次审查、修改并作毕业答辩前准备交论文,答辩课题研究所需主要设备、仪器及药品:1所需的硬件设备(1)计算机;(2)MSP430系列单片机;(3)迷你水箱;(4)蓄电池。2所需的软件(1)无线
10、水位监测系统软件;(2)终端节点软件;(3)路由节点软件;外出调研主要单位,访问学者姓名:123 指导教师审查意见:指导教师 (签字) 年 月教研室(研究室)评审意见:_教研室(研究室)主任 (签字) 年 月系(部)主任审查意见:_系(部)主任 (签字) 年 月学 士 学 位 论 文题 目 基于ZigBee的水位自动检测与控制系统学 生 徐飞宇指导教师 李世明 副教授年 级 2009级专 业 计算机科学与技术系 别 计算机科学与技术学 院 计算机科学与信息工程哈尔滨师范大学2013年5月摘要:近年来,随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用,无线通讯网络成为一个在国际上备受关
11、注的前沿热点的研究领域。目前各种无线技术百花争艳,竞争非常的激烈,无线生活即将到来。本文在各种无线通信中选取一种最具竞争力的蓝牙技术与zigbee技术对比,在对比出双方优越性之后我们选取了zigbee协议作为我们毕业设计。 本毕业设计主要利用zigbee网络监控各种农业水箱水位变化值,然后通过zigbee网络传递到监控室,上位机能够实时的显示各个监控点对应的水位值,并且可以设置对个不同监控点的水位上限,水位超过上限值时上位机可以自动停止供水,在现场监控点可以声音报警,并且可以随意增加监控点,随意移动监控点,传输数据安全稳定可靠,采用电池供电,操作非常方便,避免了繁琐的拉线等操作。本论文的研究内
12、容主要包括以下方面:(1)zigbee无线技术。(2)水位传感器。(3)单片机控制技术。(4)上位机调试控制。关键字:无线网络;zigbee;水位控制;cc2530目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 内容简介11.3 水箱控制系统的研究意义11.4 国内外现状2第二章 水箱控制基础知识32.1 ZigBee技术32.2 ZigBee协议的概述32.3 ZigBee的主要特征32.4 zigbee的应用42.5水箱系统构成及其控制42.6系统框图5第三章 水箱水位自动控制系统设计63.1水泵电动机控制电路的设计63.2水位传感器的选择:73.3 实验系统过程建模83.4 实现单容水箱(上)
13、液位的单回路控制系统设计83.5 实现双容水箱液位的单回路控制系统设计93.6 实现水箱(上)液位与进水流量的串级控制系统设计93.7 实现副回路进水流量的前馈控制93.8 系统结构93.3 ZigBee硬件电路的设计103.4 芯片cc2530电路图113.5 芯片cc2530的功能特性113.6 芯片cc2530的引脚及分布描述123.7 DRF1605特性简介及电气参数133.7.1 机械参数(顶视图,单位:mm)143.7.2 内部结构及管脚定义 如下图所示:153.8 DRF1605与MSP430开发板连接163.8.1 DRF1605与USB底板连接163.9 水箱控制电路图绘制及
14、PCB制板173.9.1 PCB制版18第四章 系统实现194.1任务提出194.2系统实现194.3PID闭环控制运算224.4实现水箱水位自动控制系统的java程序(在PC机上运行)254.5实现水箱水位自动控制系统的C语言程序(在模型机上运行)30第五章 总结与展望355.1 总结355.2 展望35致 谢36参考文献:37Abstract:38第一章 绪论1.1 引言随水箱在现代生活中有着广泛的用途,如作为城市乡村生活、生产用水储备,太阳能热水器储水设备等。合理利用水资源具有十分重要的意义,水位测量的精度和实时性,便直接影响到水箱功能的完整实现与水资源合理利用。传统的水箱仅发挥储水功能
15、,在水的储存、使用、检测等诸多方面依然采用人工手动的方法,效率低且使用非常不方便。从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看,主要存在以下问题:首先,记录方式以模拟方式为主,就是数字方式记录的,也很难方便的输入计算机处理;其次,数据处理基本靠人工处理判断,费时易错;最后,水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差,无法适应现代水文的需求。在许多偏远地区,特别是居住相对分散的农村地区,供水问题也待解决,如果仍然沿用人工方式,劳动强度大,工作效率低,安全性难以保障。因此,要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。目前水位自动控制系统有很多成熟的产品,控制手段主要有单片机监控、比较电路监控、利用单
16、片机和传感器构成水箱水位恒定的控制系统等,运行可靠,可实现远程监控和无人值守。水箱供水的主要问题是箱内水位应始终保持在一定范围,避免空箱、溢水现象发生,本文设计一款简单实用符合要求的水位自动控制系统,满足及时、准确、安全和保证充足供水:采用单片机系统控制,使水箱内水位保持恒定,以保证连续正常地供水,实际供水过程中确保水位在允许的范围内浮动,且设计了溢水报警功能,达到智能控制的目的;基于zigbee技术实现远程监控的目的,实现水位的检测控制、处理报警,使水箱功能更加完善,更符合现实生活应用。1.2 内容简介无线采集系统是新一代的无线采集系统,具有非常广泛的应用前景。其发展和应用将会给人们的生活和
17、生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线网络的发展,IEEE正在努力推动无线网络的应用和发展。 目前众多的无线网络技术中,ZigBee技术作为一种新兴的无线网络技术,在工业控制、消费电子等领域以及科研开发中得到了关注和使用,显示出其强劲的应用势头。无线采集系统在民用方面涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多,小型企业呈现蓬勃发展的势头。 随着科学技术的飞速发展,特别是在全球信息技术及其产业化的推动下,无线数据采集将会趋向于网络化、智能化、安全化的方向发展。基于无线网络技术的数据采集系统应运而生,并将成为未
18、来数据采集系统的重要发展方向。智能采集系统是一种综合性的、多学科的高科技技术集合,它涉及电子、机械、计算机技术、通信技术等诸多领域。1.3 水箱控制系统的研究意义现代水箱控制系统中大量先进仪表和设备的大量应用对其控制系统的稳定性和可靠性提出了越来越高的要求,传统的人工手动操作已远远不能获得好的控制品质。可编程控制器( 单片机) 因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。水箱水位控制系统中每个工艺段的设备及检测仪表相对集中, 控制相对独立,而单片机 特别适用于这样的系统特性, 因此能够完成生产过程中工业控制与状态监测。现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新
19、工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域,智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官,源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息,成为人们认识自然、改造自然的有力工具然随着科技的发展人们在控制水箱水位要求也越来越高,在引入单片机后大大增进了水箱水位的自动化,不但达到了以前控制水泵的开关加水,而且达到及时准确、安全供水。水位变化再结合ZigBee作为无线领域最前沿的通讯技术,其突出特点是信息传输安全可靠,另外其通讯协议对外开放,便于组网,使得研发成本大大降低,因而,从技术先进性和产品的研发成本来看,Zigbee技术非常适合应用
20、于门禁领域。由于ZigBee技术本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须同网络传输、射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起,使之逐渐成为无线通讯领域一个新的研究热点。然而到目前为止,国内外基于该技术的无线采集系统为数不多,成熟化产品更加缺乏。1.4 国内外现状中国的城镇供水具有120年的悠久历史。自1879年中国的旅顺建成第一座供水设施开始到1949年,全国只有60个城市有供水设施,日供水能力186万立方米。到1978年,全国有467个城市建有供水设施,日供水能力达到6382万立方米。改革开放以来,供水事业有了较快的发展,到1998年底,中国668个城市,具备日供水能力20992万立方米
21、。另外,全国有13922个小城镇,建有水厂13828座,日供水能力达到2111万立方米。随着经济建设的大规模开展,我国城市给水工程建设也得到了飞速发展。旧式水位控制系统是通过继电器接触线路控制开停泵机来实现控制水箱水位的。这种系统的缺点是控制线路复杂,维护工作繁重,操作麻烦,可靠性低,故障率高,而且供水量的增加也增加了供水人员的数量以及劳动量。随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展,可编程控制单片机已具有很强的通讯功能,单片机系统也从单机控制系统,集中控制系统、分散型控制系统,发展到远程I/O控制系统。人们对供水系统的要求也越来越高如何及时、安全的供水成为不可避免的问题。能够准确有效的控制水
22、箱水位达到供水要求就成为供水系统急需解决的问题。目前,水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域,它以自身的自动化控制系统的安全优势,已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段,它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱,从硬件的设计和铺设,对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。 但是,从长远来看,随着自动化技术的改进和硬件成本的降低,以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。 我国仍然处于生产型发展中国家,所有几乎在能源相关的所有领域中,水箱是比不可少的部件,即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关
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