基于ZigBee和GPRS的城市 道路積水監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊小寧 譚鵬 王運(yùn)帷 申曉林 趙靜

摘要：提出了以ZigBee無(wú)線通信技術(shù)、GPRS為依托，建立的一種直觀可視平臺(tái)，該平臺(tái)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使城市道路組成一張覆蓋面廣、網(wǎng)絡(luò)容量大的可監(jiān)視傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)將路面積水情況通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與基于LabVIEW的上位機(jī)程序進(jìn)行TCP/IP協(xié)議通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。Labview將收到的數(shù)據(jù)存入Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中以便查閱，測(cè)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；GPRS；Labview 近年來(lái)，由降水引起的城市內(nèi)澇，已多次引起北京、天津等地城市交通癱瘓，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。城市內(nèi)澇引起了人們的高度重視，各地紛紛出臺(tái)相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，盡量將損失降低到最小。面對(duì)強(qiáng)降雨或降雨比較集中的情況，現(xiàn)有的排水設(shè)施已不能滿足需求，而城市現(xiàn)有排水系統(tǒng)的改造又是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，這就使得設(shè)計(jì)一種直觀可視的路面積水情況分布圖成為最有效的辦法。

1ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種針對(duì)于距離短、復(fù)雜度低的無(wú)線雙向通訊技術(shù)，具有低成本、低功耗、低速率的特點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)傳輸有周期性、間歇性和低反應(yīng)時(shí)間的特點(diǎn)。ZigBee可以組建可靠性強(qiáng)的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中ZigBee模塊類似于移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)基站，通訊距離從75 米到幾百米。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸采取避免碰撞的策略，MAC層采用完全確認(rèn)的傳送方式，如果傳送過(guò)程中有問(wèn)題，支持?jǐn)?shù)據(jù)的重發(fā)。

2GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。它是第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信技術(shù)3G的過(guò)渡技術(shù)，經(jīng)常被描述成2.5G，GPRS是GSM Phase2.1規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，是在現(xiàn)有的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS通過(guò)在GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換功能實(shí)體，采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS能夠在端到端分組傳送模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。無(wú)線資源采用動(dòng)態(tài)分配方式，一個(gè)終端可分配多個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙也可由多移動(dòng)臺(tái)共享，終端雖然與網(wǎng)絡(luò)一直連接，但僅當(dāng)數(shù)據(jù)傳送時(shí)才占用信道資源，而且GPRS能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kb/s更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)171.2kb/s。

GPRS特別適合需要超遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離通信的場(chǎng)合，它的傳輸距離是幾乎沒(méi)有限制的，有手機(jī)信號(hào)的地方就可以通信！而且可以直接把數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，同時(shí)也可以通過(guò)短信、電話的形式傳輸?shù)轿覀兊氖謾C(jī)上。

3GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS在一個(gè)發(fā)送實(shí)體和一個(gè)或多個(gè)接收實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)傳送能力。這些實(shí)體可以是移動(dòng)用戶或終端設(shè)備，后者被連接到一個(gè)GPRS網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)外部的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

GGSN在GPRS網(wǎng)絡(luò)和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)之間起關(guān)口站的作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN和LAN等。SGSN記錄移動(dòng)臺(tái)的當(dāng)前位置信息，并在移動(dòng)臺(tái)和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為服務(wù)區(qū)內(nèi)所有用戶提供雙向的分組路由。系統(tǒng)共用GSM基站，但基站要進(jìn)行軟件更新，并采用新的GPRS移動(dòng)臺(tái)。GPRS要增加新的移動(dòng)性管理程序，通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián)。

4系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，由水深傳感器將采集的水深數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)傳給中心協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-232串口與GPRS模塊MC52I相連，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)給遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采用了免沖突載波檢測(cè)多址接入機(jī)制 、處理和保護(hù)時(shí)隙機(jī)制，保證在對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供可靠的通信鏈路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主要實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求：?jiǎn)纹瑱C(jī)CC5230，F(xiàn)LASH，矩陣鍵盤(pán)，STC12C5A60S2，監(jiān)控電腦終端，IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，GPRS通信芯片MC52I。

MC52i無(wú)線模塊是當(dāng)今市場(chǎng)上尺寸最小的雙頻GSM/GPRS模塊。模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧；具有MC35i、MC39i、TC35i的所有功能和快速GPRS技術(shù)。廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、無(wú)線公話、車載終端、無(wú)線POS終端等領(lǐng)域。具有體積小、重量輕、低功耗等特點(diǎn)，工作頻率：900/1800MHZ

支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信息和傳真。

MC52I與協(xié)調(diào)器的硬件連接如圖所示：

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳給帶有雙串口的51單片機(jī)，單片機(jī)一邊通過(guò)串口1收數(shù)據(jù)，一邊通過(guò)串口2發(fā)送AT命令控制GPRS模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線透?jìng)鳌?/p>

4.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用LABVIEW開(kāi)發(fā)，LabVIEW軟件平臺(tái)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以方便地使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，LabVIEW中支持的通信協(xié)議類型包括TCP/IP、UDP、串口通信協(xié)議、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和郵件傳輸協(xié)議。TCP/IP協(xié)議體系是目前最成功,使用最頻繁的Internet協(xié)議,有著良好的實(shí)用性和開(kāi)放性。它定義了網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互連協(xié)議IP,傳輸層的傳輸控制協(xié)議TCP、用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP等。

在設(shè)計(jì)上采用C/S（客戶端/服務(wù)器）通信模式，VI程序分為兩部分：處理主機(jī)工作在Server模式，完成數(shù)據(jù)接收，并提供數(shù)據(jù)的相關(guān)處理；GPRS模塊工作于Client模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。TCP傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程如下：在服務(wù)器端，用“TCP偵聽(tīng)”節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建偵聽(tīng)，由發(fā)送端發(fā)送連接請(qǐng)求，接收端偵聽(tīng)到請(qǐng)求后回復(fù)并建立連接，然后開(kāi)始傳輸，數(shù)據(jù)由讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)讀取TCP數(shù)據(jù)，傳輸完成后關(guān)閉連接。

4.2.3 LABVIEW訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)

該程序中需要用到LabSQL工具包，LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫(kù)、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包，LabSQL支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于ODBC的數(shù)據(jù)庫(kù)，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs。利用LabSQL幾乎可以訪問(wèn)任何類型地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，執(zhí)行各種查詢，對(duì)記錄進(jìn)行各種操作。它的優(yōu)點(diǎn)是易于理解，操作簡(jiǎn)單，不熟悉 SQL 語(yǔ)言的用戶也可以很容易地使用。只需進(jìn)行簡(jiǎn)單地編程，就可在 LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)。

⑴安裝MySQL Connector ODB C。

⑵你需要用ODBC(Open Database Connectivity)來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)源（DSN），在控制面板中來(lái)點(diǎn)擊ODBC來(lái)開(kāi)啟ODBC程序，或者直接在運(yùn)行里輸入odbcad32.exe。

⑶在系統(tǒng)DSN中選中驅(qū)動(dòng)程序MySQL ODBC3.51 Driver。

⑷雙擊后填入相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，建立好數(shù)據(jù)源。

這樣就可以能過(guò)SQL命令訪問(wèn)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)了。

5結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，便于相關(guān)部門(mén)和專家提前做出救護(hù)決策。與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相比，Zigbee穩(wěn)定準(zhǔn)確的無(wú)線傳輸，以及GPRS無(wú)線通信的高速傳輸，靈活可靠的傳輸優(yōu)點(diǎn)使得相關(guān)部門(mén)能遠(yuǎn)程獲得準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力，財(cái)力。目前，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試，均獲得準(zhǔn)確可靠快速的測(cè)量結(jié)果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Siemens.MC52i Hardware Interface Description.2008.

[2]Siemens.MC52i AT Command Set.2008

[3]陳樹(shù)學(xué),劉萱.LabVIEW寶典.電子工業(yè)出版社,2011.

[4]孫涵芳.mcs51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用,北京航空航天大學(xué)出版社,2004.