基于無線通訊的城市窨井遠程綜合監控數字化信息系統

解兆延，張延波，徐文青，張琳，周廣旭

(山東省科學院自動化研究所，山東濟南250014)

城市井蓋的丟失一直是令市政部門和相關企業非常頭疼的問題，不僅給人員、車輛造成重大安全隱患，而且井下的線纜和設備的丟失，極易導致通訊、電力以及供水供氣中斷，給企業和居民造成巨大損失［1］。無論是通訊公司的線纜井、自來水公司的閥門井蓋，還是市政管理處的雨水井箅、污水檢查井蓋，每套價值均為數百元，進入井下盜竊線纜及設備的事件時有發生。據此估算，每年濟南市僅這些設施丟失造成的直接經濟損失就達數百萬元，而且對市民人身安全構成重大威脅。如果延伸到全國各大中城市，其造成的經濟損失和人員傷害更是難于估量。所以做好城市窨井井蓋的防盜與監控，及時掌握其現狀信息，對城市建設和管理顯得尤為重要。

目前，國內已有幾家公司開展相關產品的研發工作。如長沙高新開發區璽天科技開發有限公司研發的“信號旗井蓋防盜系統”［2］，連云港溢瑞科技有限公司的“電力井蓋遠程監控系統”［3］，但這些系統普遍存在成本高，傳輸系統不穩定等問題。本系統結合ZigBee、GPRS、GIS和WSN等技術，采用ZigBee無線網絡和GPRS無線網絡兩級網絡結構，解決了上述系統可靠性低、投資成本和運營成本過高等問題。

1 系統概述

1.1 系統結構

本系統包括防盜井蓋、無線通訊網關和數字化信息系統三部分，具體結構如圖1所示。

1.2 系統特點

(1)系統綜合利用GPRS網絡、ZigBee網絡技術、GIS地圖和WSN技術等高科技手段，將整個系統融入到城市信息化系統中，實現數據共享;形成一個成熟的城市窨井井蓋遠程防盜監控及數字化信息系統。

(2)主動預警和報警。對窨井的環境狀態和窨井井蓋的狀態進行實時監控，并通過ZigBee和GPRS組成的無線傳輸網絡發送預警和報警信息［4］。

(3)實時信息報警。當監控中心數據庫接收到預警和報警信息時，數字化信息系統通過短信息的方式，將信息實時發送到窨井相關負責單位和負責人。

圖1 系統結構總圖Fig.1 System structure diagram

2 系統各部分設計

城市線纜井遠程防盜監控及數字化信息系統由三大部分組成即防盜井蓋、無線通訊網關和數字化信息系統。

2.1 防盜井蓋

防盜井蓋主要由遙控器、送電設備、受電器、控制系統和井蓋電動鎖構成，結構如圖2所示。

防盜井蓋控制系統采用DIGI公司的基于ZigBee協議的無線收發模塊XBee-Pro［5］，該模塊為即插即用方式，模塊設計滿足 IEEE802.15.4 協議標準，工作在2.4 GHz。在網絡性能方面，具有DSSS(直接序列擴頻)功能，可以組成對等網、點對點和點對多點網絡［6］。XBee-Pro模塊的基本性能參數如下 :發送功率100 mW，接收靈敏度－100 dBm，室內傳輸距離100 m，室外傳輸距離1 500 m，RF數據傳輸速率250 kb/s;在3.3 V電源下，發送電流215 mA，接收電流 55 mA［7］。

控制系統的MCU選用FREESCALE公司的8位單片機MC9S08AW60，這是一款高性能的8位微控制器，是首個能支持5 V基于高性能HCS08核系列成員。該單片機包含 60 kB 的 FLASH 存儲器，2 kB RAM，A/D，2 個 SCI、SPI、IIC 等，具有不同的引腳、封裝及溫度范圍［8－9］，見圖3。防盜井蓋控制系統采用蓄電池供電，平時處于低功耗的休眠狀態，可通過定時喚醒或外部中斷喚醒。這樣既可以滿足系統的實時性，也可以最大限度地降低系統的功耗。當井蓋外送電裝置給井蓋電動鎖具送電時，同時給井蓋控制系統的蓄電池供電。

圖2 防盜井蓋結構圖Fig.2 Structure diagram of an anti-theft manhole cover

防盜井蓋的主要功能包括兩個部分，即打開和關閉井蓋以及監測井蓋狀態及窨井內的環境情況。電動鎖具在井蓋的內側與控制單元連接，控制單元通過基于ZigBee協議的無線通訊方式與遙控器或其他井蓋控制單元或無線通訊模塊配合，由遙控器或遠程遙控開關井蓋。井蓋電動鎖具的電源由井蓋外送電裝置提供，以防止遠程誤操作，每個井蓋對應一個唯一的編碼。當發現不是經遙控器發出信號打開的井蓋，認為是非法侵入，報警信號經其他控制單元或無線通訊模塊傳至數字化信息系統;沒有防盜裝置的井蓋，可在井口或井座上安裝位移傳感器，當發生井蓋移動時，該傳感器發出信號送至無線通訊模塊，由無線通訊模塊通過ZigBee無線傳感器網絡送至GPRS網絡，從而將信息傳送至數字化信息系統。

圖3 控制系統框圖Fig.3 Block diagram of the control system

2.2 無線通訊網關

無線通訊網關由無線通訊模塊、GPRS通訊模塊、供電模塊和單片機處理器模塊組成。

無線通訊模塊采用DIGI公司的XBee-Pro模塊。該模塊一方面負責與井蓋的數據傳輸，一方面通過單片機處理模塊與GPRS模塊進行數據交互。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊來實現，該模塊是一個專門為中國大陸市場設計的雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為:EGSM900 MHz和 DCS1800 MHz。SIM 900A支持 GPRSmulti-slot class 10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3，CS-4。SIM900A采用省電設計技術，在SLEEP模式下電流只有1.0 mA。其內嵌TCP/IP協議，在數據傳輸方面非常有用［10］。SIM900A的作用是負責與監控中心進行數據傳輸。

供電模塊負責為整個無線通訊網關供電。單片機采用FREESCALE公司的8位處理器MC9S08AW60，主要負責XBee-Pro模塊和SIM900A模塊間的數據交換，詳見圖4。

無線通訊網關主要功能是將ZigBee技術和無線傳感器網絡應用到線纜井防盜監控系統中，對井蓋狀態甚至可燃性氣體、溫濕度或井下設備狀況等進行數據采集，由嵌入式系統對其進行處理，通過自組織無線網絡以多跳中繼方式將信息傳輸到井外的GPRS網絡終端，再由GPRS網絡發送至數字化信息系統，能夠彌補有線設備的缺陷。

整個網絡由基于ZigBee協議的無線網絡和GPRS網絡形成自組網絡。某個井蓋的數據可以通過多跳中繼方式發送到井外GPRS網絡終端，再通過GPRS網絡終端發送到數字化信息系統上，實現實時監控［11－12］。

圖4 無線通訊網關結構框圖Fig.4 Block diagram of a wireless communication gateway

2.3 數字化信息平臺

該信息平臺的主要功能是在線實時檢測窨井井蓋狀態以及窨井環境信息(溫度、濕度、可燃性氣體濃度)。該平臺一般建立在市政管理部門，通過監控計算機接收GPRS網絡的報警和其他相關信息并與GIS電子地圖結合，對各轄區內所屬的井蓋防盜進行統一指揮調度處警和對工程維護實行授權管理。

為了滿足系統的實時性、可靠性，保證操作界面的友好，系統主要采用了以下技術:(1)以Mapx5.0為GIS平臺，支持監控窨井井蓋以電子地圖為媒介進行可視化高效管理;支持監控窨井井蓋異常告警、短信報警功能;(2)以SQL SERVER2005作為后臺數據庫，采用ADO訪問技術，保證了海量數據的安全存儲與快速查詢功能［13］;(3)基于GPRS網絡數據通信，采用多線程處理技術，保證了系統的實時性;(4)多視覺顯示監控對象的屬性參數，保證數據報表簡潔明了，軟件界面友好、操作便捷、運行穩定。

整個數字化信息系統由線纜井實時信息子系統、報警及處理子系統、線纜井用戶信息子系統、管理部門及人員信息子系統、數據發布及短信子系統和系統管理子系統構成，如圖5所示。

圖5 信息化系統結構圖Fig.5 Structure diagram of the information system

3 結論

目前該系統的研發工作已基本完成，正在進行功能樣機的現場測試，測試結果表明該系統能夠達到系統設計的要求，實現對城市窨井井蓋和窨井內環境狀況的監測，后續將在系統信息傳輸的可靠性上作進一步的完善和改進。該項目不僅可以填補我市在窨井防盜及管理信息化方面的空白，減少和杜絕經濟損失和人員傷害，而且能夠提高我省和我國各大中城市的市政管理水平，豐富城市數字市政建設的內容，真正做到市政管理資源的合理應用，提升城市的形象和競爭力。

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［2］長沙高新開發區璽天科技開發有限公司.井蓋防盜報警器［EB/OL］.［2012－06－22］.http://www.xitiantech.com/Products.asp?art_ID=6.

［3］連云港溢瑞科技有限公司.電力井蓋遠程監控系統［EB/OL］.［2012－6 －22］.http://www.lygyr.com/page02.html.

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