一種基于ZigBee的分布式井蓋監(jiān)控系統(tǒng)*

李志，韋鵬程

(重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，重慶 400065)

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一種基于ZigBee的分布式井蓋監(jiān)控系統(tǒng)*

李志，韋鵬程

(重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，重慶 400065)

隨著我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，城市井蓋數(shù)目逐漸增加。由于較多井蓋被盜，致使路面形成陷阱，危害到過往車輛和行人安全。本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決分布式布控困難、不能實(shí)時監(jiān)控、成本較高的問題。融合GPRS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)和Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對缺失井蓋的精確定位、自動報警功能。

井蓋防盜；ZigBee；GPRS網(wǎng)絡(luò)；嵌入式網(wǎng)關(guān)

引 言

城市道路上的井蓋經(jīng)常會出現(xiàn)破損或丟失，這樣會在路面上形成陷阱，對過往車輛和行人造成危險。全國特大型城市各類井蓋總數(shù)量均在100萬個以上，大型城市在80萬個以上，中型城市在50萬個以上。據(jù)統(tǒng)計，一般城市井蓋年被盜數(shù)量超過總量的1%左右。井蓋產(chǎn)生的安全隱患包括：井蓋被盜，通過井蓋入口盜竊地下電線纜，影響供電和通信；由于下水道未按時清淘造成淤積，長時間形成沼氣濃度過高易引發(fā)中毒、爆炸等危險事件[1]。

1 系統(tǒng)概述

圖1為系統(tǒng)工作原理圖，系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務(wù)器。井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術(shù)，每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有網(wǎng)絡(luò)中的報警器節(jié)點(diǎn)信息。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)之間交互數(shù)據(jù)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個報警器節(jié)點(diǎn)信息匯聚傳遞到嵌入式網(wǎng)關(guān)，同時將用戶查詢和設(shè)置命令下發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過采集數(shù)據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鱾€井蓋報警器狀態(tài)和位置進(jìn)行顯示和存儲。嵌入式網(wǎng)關(guān)同時還起到實(shí)時報警和上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)的作用，GPRS模塊主要負(fù)責(zé)GPRS模塊接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設(shè)施管理處以及自來水廠等政府機(jī)構(gòu)可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護(hù)，并同時發(fā)送短信給檢修人員，實(shí)現(xiàn)及時維修和處理。

工作原理：當(dāng)井蓋被打開后，井蓋報警器上面的紅外感應(yīng)傳感器感知光線產(chǎn)生報警，將報警信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)中。嵌入式網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)，顯示報警位置，通過GPRS模塊將信息統(tǒng)一發(fā)送至固定IP的服務(wù)器上，用戶通過Web服務(wù)器中心可以查詢每個井蓋的安全情況。同時，服務(wù)器中心通過互聯(lián)網(wǎng)將消息發(fā)送給每個附近的維修單位，達(dá)到實(shí)時安全監(jiān)管的效果。GPRS模塊會將井蓋的位置和情況發(fā)送給周邊的檢修人員，通知檢修人員及時修理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 井蓋報警器節(jié)點(diǎn)

圖2所示為井蓋報警器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖,包含ZigBee控制器、蜂鳴器、高亮度LED、氣體傳感器、光敏傳感器。

圖2 井蓋報警器結(jié)構(gòu)圖

其中,負(fù)責(zé)組成網(wǎng)絡(luò)的ZigBee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2530，內(nèi)部集成了工作在2.4 GHz的射頻發(fā)射器和低功耗的8051 MCU內(nèi)核。

井蓋報警器節(jié)點(diǎn)的原理為：通過嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統(tǒng)供電，通過傳感器檢測井蓋安全狀況。當(dāng)井蓋被盜時，光敏傳感器感知光線并將報警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中；當(dāng)沼氣濃度過高時，氣體傳感器感知濃度，將報警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達(dá)到667 MHz。該網(wǎng)關(guān)具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴(kuò)展設(shè)計了一個ZigBee網(wǎng)關(guān)，采用Linux操作系統(tǒng)，移植TCP/IP協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項目中的網(wǎng)關(guān)很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中的資源和處理時間消耗。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計思路新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。界面簡單易操作，通信效果良好，能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測井蓋安全的實(shí)時變化，為市政提供了有效、及時的信息。

2.3 Web服務(wù)器

利用PC機(jī)建立Web服務(wù)器，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示，同時通過網(wǎng)絡(luò)連接至政府部門，方便各個單位查詢井蓋情況。在服務(wù)器設(shè)計中，前端采用ASP.NET 開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET操作數(shù)據(jù)庫。每個報警器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過來到服務(wù)器后，服務(wù)器通過SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行接收、處理和存儲。主要信息包含：井蓋節(jié)點(diǎn)位置信息、安全狀況信息、實(shí)時監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息。Web服務(wù)器根據(jù)設(shè)計功能需求，主要分為登陸界面、井蓋分布位置界面、井蓋安全狀況界面、歷史數(shù)據(jù)等界面。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 ZigBee模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中模塊有三種類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協(xié)議，集成了RF和8051 MCU內(nèi)核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達(dá)到100 m,具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

3.1.2 光敏傳感器

光敏傳感器采用光敏二極管，光敏二極管響應(yīng)范圍適用于可見光范圍，紅外光全截止，頻譜范圍近似人眼。通過ZigBee控制器的A/D模塊采集光敏二極管上面的光線強(qiáng)度，當(dāng)井蓋損壞或被盜后，光敏二極管檢測光線發(fā)生變化從而報警。氣體傳感器采用MH-440V/D 紅外氣體傳感器，通過測定氣體成分的吸光度，就能測定氣體成分的濃度，氣體傳感器主要負(fù)責(zé)檢測下水道沼氣是否超標(biāo)。

3.1.3 GPRS模塊

GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設(shè)備采用高性能處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。同時,發(fā)送短信給維修人員，實(shí)現(xiàn)及時維修和處理。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)工作流程

ZigBee井蓋報警系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。ZigBee井蓋報警器正常工作狀態(tài)時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)光線和氣體檢測超出告警閾值時，喚醒ZigBee控制器，讀取井蓋基本信息并進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)中鄰近的節(jié)點(diǎn)，最后傳輸給嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。嵌入式網(wǎng)關(guān)控制GPRS模塊將信息發(fā)送給Web服務(wù)器，同時發(fā)送報警短信給維修人員，Web服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫將信息存儲。

圖3 井蓋報警系統(tǒng)工作流程圖

3.2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TI公司的Z-STACK，協(xié)議棧為ZigBee 2007。ZigBee 2007是ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的一種低成本、極低功耗的雙向無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是TI公司專門為CC2530芯片設(shè)計的協(xié)議棧[6]。本系統(tǒng)協(xié)議設(shè)備以協(xié)調(diào)器和路由器為主，軟件設(shè)計主要包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件和路由器節(jié)點(diǎn)軟件。

圖4 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖4所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)啟動時會進(jìn)行設(shè)備初始化，通過協(xié)調(diào)器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)唯一的PAN ID，設(shè)置協(xié)調(diào)器的地址。進(jìn)入信道掃描階段，判斷現(xiàn)在是否有相同PAN ID的網(wǎng)絡(luò)，如果存在的話就選擇現(xiàn)有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求。如果不存在網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器在信道掃描成功后會排列信道，并選擇出最優(yōu)通道，確定網(wǎng)絡(luò)ID，建立網(wǎng)絡(luò)[7]。網(wǎng)絡(luò)建立好以后，協(xié)調(diào)器會進(jìn)入無線偵聽的階段，如果有新設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會按順序給其分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果有串口數(shù)據(jù)接收，協(xié)調(diào)器會進(jìn)入處理串口數(shù)據(jù)的階段，主要負(fù)責(zé)嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制命令。

3.2.3 ZigBee路由器

圖5 路由器軟件流程圖

報警系統(tǒng)中的井蓋報警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，主要負(fù)責(zé)報警數(shù)據(jù)采集和中繼傳輸。通過配置CC2530的ADC控制器開始數(shù)據(jù)的采集，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的速率和讀取數(shù)據(jù)時間間隔。路由器的軟件流程圖如圖5所示，路由器節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行軟硬件的初始化，掃描網(wǎng)絡(luò)是否存在，選擇符合的PAN ID網(wǎng)絡(luò)加入，成為網(wǎng)絡(luò)中的子結(jié)點(diǎn)。

路由器加入網(wǎng)絡(luò)后處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有告警中斷產(chǎn)生時，喚醒CPU并進(jìn)入中斷處理函數(shù)，中斷處理主要包含對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，將報警器的傳感器數(shù)據(jù)采集打包發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)中，完成后退出中斷進(jìn)入休眠狀態(tài)。

結(jié) 語

[1] 胡馨元,劉勝利,王秋波. 城市規(guī)劃中的井蓋多樣化及井蓋出現(xiàn)的病害[J]. 科教文匯, 2011(2):201-203.

[2] 辛穎,謝光忠,蔣亞東. 基于ZigBee協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2006,25(7): 28-38.

[3] 任豐原,黃海寧, 林闖. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報,2003,14(7):1282-1291.

[4] 梁宗保,李鵬. 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 計算機(jī)與現(xiàn)代化，2013(6):133-138.

[5] 楊誠,聶章龍. ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的分析與設(shè)計[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2009,26(12):203-206.

[6] 張朋,陳明,陳亞萍. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用研究, 2007(10):24-25.

[7] 曹莉,曾黃麟,樂英高. 基于ZigBee和MSP430無線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,25(1): 52-55.

李志(講師),研究方向為嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；韋鵬程(教授)，研究方向為保密通信、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制和計算智能。

Distribute Manhole Cover Monitor and Control System Based on ZigBee

Li Zhi, Wei Pengcheng

(Department of Mathematics and Information Science, Chongqing Education College, Chongqing 400065,China )

With the development of modern economy in China, the number of manhole cover has increased. The stealing of the manhole cover can make road surface trap and endanger the safety of pedestrian or vehicles. A smart safety monitoring system based on ZigBee wireless network is introduced, which solves the distributed control, real-time monitoring and high price problems. The system combines the GPRS network, designes the embedded gateway and web server, and achieves the precise positioning of the lack of manhole cover and automatic alarm.

anti-theft for manhole cover; ZigBee; GPRS network; embedded gateway

重慶第二師范學(xué)院科研基金項目(項目編號：K9201321C)。

TP29

A

迪娜

2013-11-06)