基于ZigBee無線傳感網絡的綜合環境實時監控系統

孫秀勇++陸航++楊曉飛++韓成春

摘 要：設計無線傳感網絡綜合環境實時監控系統，實現對公共垃圾箱的實時監控和集中管理。該系統集成ZigBee無線通信模塊和GPRS DUT無線傳輸模塊，以STC12C5A60S2芯片為主控單元，采集公共垃圾箱的重量、容量和箱內異味信息并由ZigBee終端節點傳送至匯聚節點，通過GPRS DUT無線傳輸將匯集數據一并傳送至監控主機，以此達到對公共垃圾箱的實時監控、數據處理和集中管理的目的。該系統操作方便，極大地減少了管理人員的工作量，提高了工作效率。

關鍵詞：ZigBee；GPRS DTU；公共垃圾箱；實時監控；集中管理

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-04

0 引 言

隨著社會經濟的發展，環保問題逐步成為社會關注的焦點，各國也不惜投入大量資金，改善人們的生活環境質量。目前我國的環保發展還處于初級階段，大部分城市垃圾處理系統還不完善，人流密集的街區路口仍會出現垃圾箱散落溢出、未得到及時清理等情況，其主要原因在于我國城市垃圾箱的管理仍采用人力現場巡查的方式，這不僅需要大量勞動力，而且工作效率低、環保成本高，也不利于城市環境集中管理。

本系統把無線傳感網絡技術應用到公共垃圾箱的集中管理中，代替人員的現場巡查，以提高工作效率。目前國內市場紛紛出現一系列智能垃圾桶，比如自動分類垃圾桶、自動壓縮處理垃圾桶等產品[1，2]，但此類產品主要用于相對獨立的設施，且僅限于室內。而本系統可應用于小區、學校、廣場等公共場所，實現分散垃圾箱的集中管理。

1 系統框架及其工作原理

該系統主要包括公共垃圾箱監測節點、無線數據傳輸模塊、綜合環境監控中心[3，4]。公共垃圾箱監測節點還包括終端節點、匯集節點和GPRS模塊，其中終端節點和匯聚節點通過ZigBee模塊交換分布垃圾箱采集箱內空氣質量，箱內剩余容積，箱內物質重量等信息，匯聚節點與GPRS模塊相連，通過GPRS模塊將采集到的信息傳送至環境監控中心，如圖1所示。

圖1中，GPRS模塊將匯聚信息發送至以太網，用戶利用固定IP的主機作為監控機從以太網中提取對應的采集數據，實現對系統的管理、監控以及對采集信息的存儲和分析。此外，由于固定IP資源有限，用戶可以利用現有的動態域名解析服務將連接以太網的本機解析為一個固定域名，然后通過配置GPRS單元相關參數，結合本地接收軟件的IP與端口號設置，最終也可以實現采集信息的接收。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

終端節點由主控芯片、傳感器和ZigBee模塊組成[5]。箱內的空氣質量傳感器檢測箱內空氣質量，輸出模擬量通過微處理器的A/D轉換端口轉換為數字量，該數字量大小反映箱內空氣質量的好壞。箱內容積傳感器為閾值可調節的漫反射測距傳感器，在距箱底的不同距離處由近到遠布置三個光電傳感器，該光電傳感器達到閾值時向微處理器端口輸出1，即高電平，通過光電傳感器可以獲取箱內垃圾由少量到中度再到高量的變化信息。箱內物質重量傳感器內有電阻式應變式壓力傳感器的稱重傳感器，用來檢測箱內物質重量，輸出模擬量通過微處理器的A/D轉換端口轉換為數字量，該數字量大小反映箱內物質重量的大小。最終微處理器獲取到垃圾箱的箱內空氣質量、剩余容積、物質重量，這三個參數經過匯聚節點傳輸至綜合環境監控中心再發送給清潔人員。其系統工作流程如圖2所示。

2.1 主控芯片STC12C5A60S2

主控芯片STC12C5A60S2是STC生產的單時鐘機器周期（1T）單片機，是具有高速、低功耗、超強抗干擾特點的新一代8051單片機，指令代碼與傳統8051兼容，但速度比傳統8051快8～12倍[6]。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換。工作電壓在5.5～3.5 V之間，具有雙串口，外部時鐘源11～17 MHz，系統整體結構如圖3所示。

圖2 系統工作流程

系統以1117-5V穩壓器及并聯10 uF電容作為穩定電源。系統復位采用阻容復位電路，電容為10 uF，電阻為10 k?，另設置復位開關可以對系統進行手動復位。STC12C5A60S2單片機的端口P3.0（RxD）和P3.1（TxD）分別與SZ05-ZigBee無線通信模塊的TxD和RxD連接，端口P1.1、P1.4為稱重傳感器和氣味傳感器的輸出電壓信號輸入端，端口P0.4、P0.5、P0.6為容量檢測器的輸出電壓信號輸入端，其他作為正常的I/O端口使用。

2.2 SZ05-ZigBee無線通信模塊

SZ05-ZigBee嵌入式無線通信模塊集成了符合ZigBee協議標準的射頻收發器和微處理器[7，8]，具有TTL電平收發接口、標準串口 RS 232數據接口。可實現點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備間數據透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網絡結構。模塊傳輸距離可達到1 500 m，工作頻率2.4 GHz，可設置低功耗模式，待機電流10 mA。該模塊集成ZigBee協議，用戶只需將需要傳輸的數據送到數據接口便可實現透明傳輸。

2.3 LQ1000-GPRS DUT模塊

LQ1000-GPRS DTU采用了先進的GPRS無線通信技術、嵌入式單片機技術和TCP/IP網絡通信技術，提供標準RS 232/485數據接口，可方便地與通用設備進行數據交換[9，10]。該模塊支持固定IP或動態域名解析的連接方式，可接收指定用戶手機發送的短信命令和數據。支持850/900 MHz和1800/1 900 MHz移動通信服務，可以在任何環境中使用，保證數據傳輸的可靠性。模塊可以實現串口數據透明傳輸，接收手機短信指令，串口外接設備通過模塊發送短信，中心軟件通過模塊發送短信等功能。

2.4 各類傳感器模塊

作為綜合環境監測系統，其核心在于實時準確的監測被測公共垃圾箱的參數指標。YZC-1B稱重傳感器[11]能對箱體的重量進行相對準確的測量，通過主控芯片的計算分析大致判斷垃圾箱是否裝滿。TGS2600-SOP氣體傳感器監測箱體內周圍空氣的質量水平，如果超過正常值，將報警信號發給微控制器。DS100C1光電傳感器檢測箱體的空間容積，如果箱體近滿，則傳感器報警，同時微控制器做出相應判斷。最后通過微處理器串口將判斷結果和重要參數發送給無線通信模塊并上傳至監控中心。

3 監控軟件設計與調試結果

3.1 監控軟件設計

綜合環境實時監控系統軟件主要對系統進行管理和監測，對終端監測節點設備進行手動或自動遠程控制，也是整個系統的綜合監控中心。運行本監控軟件的主機需要有固定的IP地址或者能夠進行動態域名解析到固定域名。

本監控軟件基于微軟.NET環境開發，作為系統PC客戶端服務軟件，為系統提供三大基本功能：監聽并實時顯示系統參數、操作人員向外圍設備發送短信、數據存儲，其監控軟件流程圖如圖4所示。

數據監聽功能配合GPRS模塊實現，通過開放主機IP和端口號與網絡中的客戶端實現數據通信，然后將接收到的數據進行處理和存儲。當數據成功連接后，發送短信就可以實現，但是由于下端設備需要相應AT指令才能完成發短信操作，所有本軟件內部又集成了將中英文字符轉換為AT指令的函數模塊。數據存儲選用輕便簡單的Access數據庫，方便用戶使用和查看，用戶可以自主選擇是否將數據存入數據庫。此外，本軟件還可以直接將數據存入txt文本中。

軟件以C語言為基礎，以Microsoft Visual Studio作為集成開發環境，主要包括網絡流操作、數據庫操作、文件操作、界面設計等。其中，將本地服務器與遠程客戶端設備通過網絡流建立連接是本軟件的基礎部分。因此，程序獲取本地固定IP，并將數據映射到計算機端口是本軟件設計的重點也是難點。其核心代碼如下：

txtPort.Text = “10000”；//設置開發端口

IPAddress[] ips = Dns.GetHostAddresses（Dns.GetHostName（））；//獲取IP

for （int i = 0； i < ips.Length ； i++） {

if （ips[i].ToString（）.Length < 20）//過濾掉IPv6

{

IPBox.Text = ips[i].ToString（）；//得到12位IP

}

}

此外，用戶可以通過本軟件遠程控制GPRS模塊向任意手機發送短信。由于GPRS模塊在發送中文短信時必須有附加指令操作，即在需要發送的手機號碼開頭和結尾分別加上 “SMS”、“#”。因此，軟件需要加上額外指令以及漢字轉為Unicode碼操作。具體代碼如下：

string DTU_Text_ASCII；

string DTU_Text_Unicode；

DTU_Text_ASCII ="SMS"+ textBox1.Text + "#"；

DTU_Text_Unicode = textBox3.Text；

DTU_Text_ASCII = DTU_Text_ASCII.Trim（）；

try {

string ss = StrToHex（DTU_Text_ASCII）；

txtReceive.Text = ss+DTU_Text_Unicode；

byte[]data1= Encoding.ASCII.GetBytes（DTU_Text_ASCII）；

byte[]data2= System.Text.Encoding.Unicode.GetBytes（DTU_Text_Unicode）；

for （int i = 0； i < data2.Length；i+=2 ） {

byte temp1；

temp1 = data2[0+i]；

data2[0+i] = data2[1+i]；

data2[1+i] = temp1；

}

this._networkStream.Write（data1，0，data1.Length）；

//將字節數組發送到網絡流中

this._networkStream.Write（data2，0， data2.Length）；

}

3.2 軟件調試結果

本監控軟件基于微軟.NET Framework 4.0，結構精簡，基本不占系統內存。軟件運行環境最低要求：Windows7系統，512 MB RAM，1 GHz主頻。

圖5為登錄界面，用戶輸入賬號和密碼，點擊登錄即可。如果勾選“記住密碼”，則軟件在下次登錄時無需再次輸入密碼。

圖6為監測界面，點擊“監聽”按鈕開始監聽（接收）客戶端的傳送數據，并顯示在“網絡數據接收區”。通過區域選擇用戶可查看對應區域的節點情況，比如被選區域1的節點2處的箱體處于已滿狀態，此時自動向清理人員發送短信，或將信息發送至綜合環境監控中心。

圖4 監控軟件流程圖

圖5 軟件登陸界面圖 圖6 監控軟件讀取數據結果

此外，若用戶勾選監控界面的“數據存入Access數據庫”的選擇框，可以將重要數據進行保存，存儲成功顯示“與數據連接成功”，如圖7所示。

圖7 讀取數據存取結果

4 結 語

系統設計基于ZigBee無線傳感網絡和GPRS無線通信網絡相結合的綜合環境監控系統，配合底層各終端節點和綜合環境監控軟件，對公共垃圾箱實現集中管理和集中監控，減少工作人員的工作量，提高工作效率。系統結構合理，性能穩定，滿足設計要求。通過自主開發的綜合環境監控軟件測試，其操作界面簡單，設計功能齊全、成本低、具有較好的實際應用價值。

參考文獻

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[2] 湯俊良.智能垃圾箱[J]. 科學啟蒙， 2005 （6）：14.

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[4] 陸航，楊曉飛，孫秀勇，等. 一種公共垃圾箱按需定點清理自動預報系統[P].2014-12.

[5] 杜春飛. 無線傳感網絡大氣環境監測系統設計[D].大連：大連海事大學， 2012.

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[8] 林子敬. 基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的研究與實現[D]. 合肥：中國科技技術大學， 2009.

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