基于Zigbee無線傳感網絡的窨井安全監測系統

楊永超，曾 剛，黃 勇，黃 林（湖北民族學院信息工程學院，湖北　恩施445000）

基于Zigbee無線傳感網絡的窨井安全監測系統

楊永超，曾 剛，黃 勇，黃 林
（湖北民族學院信息工程學院，湖北恩施445000）

針對城市窨井因內部可燃性氣體濃度過高產生爆炸、水位太高而損壞內部線纜或井蓋丟失、移位造成重大生命財產損失等各類事故，設計了一種基于Zigbee協議的無線傳感網絡的窨井安全監測系統。該監測系統能夠實時監測窨井內燃氣濃度、水位以及井蓋是否丟失或移位等各種安全隱患信息，一旦超過設定的安全閾值，告警信息便能通過GSM手機通信網絡或因特網及時傳送至監控中心，提醒市政管理部門采取措施，避免生命財產遭受損失。系統測試結果表明:其運行達到預期效果，具有很好的實用推廣價值。

窨井；安全監測；無線傳感網絡；Zigbee

隨著社會經濟的快速發展，城市規模越來越大，市政公共基礎建設力度逐年加大，與之相應的各種城市地下管網越來越復雜和龐大。窨井是管理、安裝和維護城市地下管線如電力、通信、燃氣、污水、供水、有線電視等各種重要設施的重要通道，一般由井基座、井身、井頸和井蓋等部分組成［1］。但是，由于目前缺乏有效的實時監測手段，若地下管道發生漏氣、漏水、甲烷濃度超標等問題，管理部門往往無法在第一時間得到信息以致造成重大的安全事故；同時，由于車輛碾壓、人為盜竊以及雨季積水等原因造成井蓋丟失而帶來的財產損失、人身安全等嚴重后果時有發生［2-3］。因此，為了保障公共設施的安全正常運行，保護人民生命及財產安全，迫切需要加強對城市道路窨井的井下安全監測及井蓋丟失管理［4］。但是，由于城市窨井及井蓋數量大、分布廣，依靠人工方式對各個窨井及井蓋進行巡視和檢查，其效率低下、實時性差，而且也很難測定井下如天然氣、甲烷等可燃性氣體的濃度［5-6］。隨著信息化時代的到來和物聯網技術的快速發展，基于Zigbee協議的無線傳感網絡技術以其優異的性能已經逐漸被應用到生產生活的各個方面。

Zigbee技術是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信協議，其自組網、自愈和、多組網方式、三級安全模式等優點為無線網絡的建立帶來了方便［7-10］。本文將Zigbee技術和無線傳感網絡技術引入到城市窨井的安全監控中，構建了基于Zigbee協議的無線傳感網絡的窨井井下氣體濃度、水情以及井蓋移動與否的實時監測系統，一旦有可燃性氣體濃度超標、水位超標或井蓋移動等情況，系統將立即向監控中心發送告警信息，從而為市政管理部門迅速實施相應的解決措施提供有效的途徑。

1　系統硬件設計

1.1Zigbee技術簡介

Zigbee技術是一種采用直接序列擴頻技術的短距離、低速率、低成本以及低功耗的雙向無線通信技術，它基于IEEE802.15.4無線標準，工作頻率為868～915 MHz或2.4 GHz的ISM頻段，與其他無線網絡技術相比，該技術的突出優點是應用簡單、耗能低、組網能力強、可靠性高以及成本低［11-13］。將低功耗的Zigbee技術應用到無線傳感器網絡中來對數量龐大的城市窨井內的環境及井蓋進行實時監測，將給市政管理部門對窨井的管理和維護帶來了極大的便利，同時可以最大程度地保障井內各重要的基礎設施和城市居民的生命財產安全。

1.2總體結構設計

基于Zigbee無線傳感網絡的窨井安全監測系統總體結構設計見圖1。

在圖1中，對于窨井相關的數據采集和傳輸過程主要由窨井數據采集和監測終端節點、Zigbee路由節點、Zigbee協調器、GSM模塊以及監控終端等部分組成。位于每個窨井處的監測終端節點主要完成對窨井內水位、氣體濃度以及井蓋是否移動或丟失等數據的采集，并對數據進行處理后尋找和連接路由節點將數據發送至上位機；Zigbee路由節點主要用于在路由節點之間或路由節點與協調器之間傳遞數據包，每個路由節點下擁有由若干個監測終端子節點構成的數據采集終端子網絡；Zigbee協調器及其數據處理單片機STM32E103ZET6主要負責整個無線傳感網絡的建立、選擇初始通信信道、初始化網絡配置并接受各監測子節點加入網絡；Zigbee無線傳感網絡由與STM32E103ZET6相連的GSM接口或因特網接口通過相應的通信網絡與監控中心相連，并將采集的窨井內環境及井蓋等數據傳送至監控中心的計算機或手機監控終端，或者通過GSM或因特網接收來自監控中心上位機的命令，并以廣播方式通過各路由節點向監測終端發送，從而獲得各監測終端返回的數據信息。

圖1　基于Zigbee無線傳感網格的窨井安全監測系統總體結構示意圖Eig.1 Sketch map of the inspection well safety monitoring system based on Zigbee wireless sensor network

當協調器啟動之后便進入組網流程，組網過程中協調器按照Zigbee協議的規定，各層之間進行一系列的會話，完成新網絡的參數配置直至網絡建立成功；然后路由節點開始加入網絡，路由節點和協調器各層協議分別通過一系列會話之后完成對自身的配置，此后網絡當中的各個節點之間就可以通信了［5］。

1.3傳感器節點設計

對于每個窨井的監測終端來說，主要完成對井內水位高低、可燃性氣體濃度以及井蓋是否移動等數據的實時監測等功能。根據監測要求，需要配置相應的傳感器對各個參數進行檢測，然后將數據送入含有MCU的測控系統，對數據進行處理后通過射頻電路網絡發送出去。

傳感器節點的硬件框圖見圖2。在圖2中，Zigbee模塊是整個系統的核心，主要由Chipcon公司近年推出的CC2430和CC2591芯片組成。CC2430是一顆（SOC）CMOS芯片，內嵌高性能和低功耗的8051微控制器（MCU）核，并集成了8通道14bit的ADC以及符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RE無線收發器，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。CC2591是一款高性能的低成本前端，集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉換器和RE匹配網絡等，配上高增益天線，可將無線傳感器網絡覆蓋范圍提高到幾百米以上，足以滿足各終端節點傳輸數據的需要。

圖2　傳感器節點硬件框圖Eig.2 Hardware frame of the sensor node

由于窨井內的可燃性氣體主要是沼氣或天然氣，它們的主要成分均為甲烷，因此可燃性氣體的濃度檢測采用MQ-4甲烷傳感器。MQ-4甲烷傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2），當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，在傳感器外圍使用簡單的放大調理電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，最后送入Zigbee模塊的ADC輸入端口。

對于窨井內水位的監測，考慮到系統成本因素，且水位深度不需要精確值，只需監測其是否達到警戒水位即可，因此水位探頭采用簡易的防腐兩極金屬探頭，經過簡單調理電路后便可輸出高低電平邏輯，以示金屬探頭的兩極是否被水短接。根據窨井內設施的情況，可將探頭放置在警戒水位的高度即可。

當井蓋出現丟失、移位或碾壓損壞等情況后，窨井內的光照強度將會發生很大變化，因此采用光照度傳感器，通過對傳感器的輸出信號設定相應的閾值，便可判斷井蓋是否出現上述各種實際問題。本系統采用的光照度傳感器為采用ROHM原裝BH1750EVI芯片的GY-30數字光照度傳感器模塊，供電電壓為3～5 V，傳感器模塊內置16bit的ADC，可直接數字輸出至CC2430模塊。

需要特別指出的是，雖然Zigbee模塊無線節點CC2430本身可以在很短時間內由睡眠模式切換至工作模式，而且在接收或發送數據時耗電量只有25 m A左右，非常省電，但由于外圍的甲烷傳感器及其調理電路耗電量較高，為保證系統長時間工作的可靠性，設計時采用電壓為12 V、容量為5 A·h的鉛酸蓄電池進行供電，并在白天時用太陽能光伏電池給蓄電池進行充電，以保證超長時間對終端節點進行供電的可靠性。與此同時，系統對蓄電池的電量進行監測，通過自帶的ADC采集蓄電池端電壓，當電壓低于設定閾值時產生電壓過低告警信號，最終通過網絡傳輸到監控中心，提醒管理人員對該節點電源進行維護。

傳感器節點的硬件電路如圖3所示。

圖3　傳感器節點硬件電路圖Eig.3 Schematic of the sensor node

1.4協調器節點設計

協調器是無線網絡與外界其他通信網絡連接的關鍵部件，其工作的可靠性直接影響數據傳輸的穩定性，其硬件結構主要包括主MCU、存儲器單元、無線射頻收發電路、RS232-GSM通信接口以及因特網通信接口等。對于實際的窨井監測系統，其數量龐大，實時性要求較高，協調器的數據處理流量大，因此對MCU的處理性能要求高，如果采用CC2430自帶的8051MCU內核不能滿足數據處理的要求，所以系統采用STM32E103ZET6單片機作為數據處理平臺。STM32E103ZET6是意法半導體公司出品的基于Cotex-M3內核的32位ARM系列微控制器，工作頻率可達72MHz，數據處理功能強大［14-16］。此外，該芯片上還集成了最大64k B的SRAM存儲器及512k B的Elash存儲器，并具有豐富的電源管理功能及低功耗模式，完全能夠滿足協調器的功能要求。

2　系統軟件設計

Zigbee模塊以基于德州儀器（TI）公司的業界領先的黃金單元Zigbee協議棧、Z-Stack協議棧為基礎進行軟件的編寫，提供了一個強大且完整的Zigbee解決方案［9］。只需要在應用層（APP）添加與該項目有關的函數或代碼即可，省去了開發底層協議的繁瑣工作，可以大幅度縮短開發周期。

2.1傳感器節點的軟件流程

傳感器節點在系統中的作用是實時采集窨井內水位、甲烷濃度、井蓋是否移位以及蓄電池電壓等數據，節點上電啟動并加入無線網絡后便能夠與路由器和協調器建立網絡通信，實現數據及命令的雙向傳輸，一旦數據超過設定閾值立即產生中斷，并及時將相關告警信息通過無線傳感網絡發送至監控中心計算機，提醒監控人員采取相應措施；同時傳感器節點也能夠接收監控中心計算機發送過來的各種查詢命令，并將實時數據及時返回。

傳感器節點的軟件流程見圖4。

2.2協調器節點的軟件流程

協調器在系統中的作用是建立并管理Zigbee無線網絡，自動允許其他節點加入網絡的請求，收集傳感器節點傳送過來的數據信息，并通過串口將數據發送給上位機；同時接收上位機的控制命令，再將命令發送給各傳感器節點控制進行相應的數據采集。協調器建立網絡并處理節點請求的程序流程見圖5。

圖4　傳感器節點的軟件流程Eig.4 Software flow chart of the sensor node

圖5　協調器節點的軟件流程Eig.5 Software flow chart of the coordinator

2.3數據傳輸流程

市政管理部門在監控中心通過GSM網絡或互聯網能夠隨時獲取所轄區域內所有被監控窨井的相關數據，對窨井內的水位、可燃性氣體濃度以及井蓋是否移位或丟失等情況進行查詢［6］。協調器收到來自監控中心的查詢命令后選擇相應的路由節點，路由節點再喚醒子網內的終端節點進行數據的采集并進行上傳。命令傳輸過程中，如果未發現或者與目的終端節點通訊失敗，則向監控中心返回錯誤報告。系統數據傳輸流程見圖6。

圖6　系統數據傳輸流程Eig.6 Elow chart of data transmission

3　系統測試

3.1數據傳輸測試

為了驗證基于Zigbee無線傳感網絡的窨井安全監測系統數據傳輸的可靠性，本研究在校園內建筑較密集的道路旁對該系統進行了模擬測試:系統采用1個GSM手機監測終端、1個上位機終端和10個Zigbee節點進行組網，包括1個協調器、2個路由節點和7個帶有傳感器的監測終端節點。每個傳感器節點相距20～40 m不等，每個路由節點距終端節點最近約18 m，最遠約65 m，放在終端節點與協調器之間，負責數據的轉發。

測試時，每個傳感器節點向上位機發送數據包總量為1 000個，在不同的間隔距離上分別從監測終端節點發送模擬的窨井環境數據包到上位機，測試系統丟包率的大小。測試時，設定傳感器節點每間隔100 ms發送一次數據包，然后等待上位機過來的反饋信號；若收到反饋信號，則馬上發送下一個數據包；若100 ms后還沒收到反饋信號，則認為丟包，并接著發送下一個數據包。系統丟包率的測試結果見表1。

表1　系統丟包率的測試結果Table 1 PLR test of the system

由表1可見，傳感器節點向上位機發送數據非常可靠，其丟包率在可以接受的范圍之內。

3.2傳感器節點的測試

本研究對系統還進行了傳感器節點的測試。測試過程中，對水位進行模擬時，若將水位傳感器放在盛水的杯中，則表示窨井水位超過警戒值，傳感器節點將輸出高電平“1”，否則輸出低電平“0”；對井蓋是否丟失進行模擬時，采用不透光的布將光照度傳感器包裹在內來模擬井蓋處于正常位置，傳感器節點輸出低電平“0”，若探頭敞開在空氣中，則表示井蓋移位，則傳感器節點輸出高電平“1”；對甲烷傳感器進行測試時，用主要成分為甲烷的天然氣作為測試氣體，首先采用便攜式可燃性氣體濃度測量儀對傳感器進行標定，然后在室溫情況下，用氣體濃度測量儀分別對每個節點的甲烷傳感器的準確度進行測試；蓄電池電壓則采用數字萬用表進行實測。傳感器節點測試結果見表2。其中，甲烷濃度的參考值表示用氣體濃度測量儀對天然氣的測試結果；蓄電池電壓的參考值表示用數字萬用表對蓄電池電壓的測試結果；實測值表示本文系統分別對天然氣和蓄電池電壓的測試結果；平均相對誤差表示實測值與參考值之間相對誤差的平均值。

由表2可見，水位信號和井蓋移位信號傳輸準確可靠，完全能夠滿足實際測量要求；甲烷濃度及蓄電池電壓的測量由于受系統所采用的傳感器精度的限制，且氣體濃度的測量受所處環境影響較大，分別有5.6%及-0.5%的平均相對誤差，但均在可以接受的范圍內。

根據相關資料可知，空氣中的甲烷濃度的爆炸極限為5%～16%。據此，系統設定當檢測到天然氣或沼氣濃度達到3.5%的閾值時，就立即發出告警信息，提醒市政管理部門立即采取措施，從而避免爆炸事故的發生。

表2　傳感器節點測試結果Table 2 Test results of sensor nodes

4　結論與建議

本文基于CC2430無線傳感節點、MQ-4甲烷傳感器、GY-30光照度傳感器以及水位傳感器等硬件電路構建了一種以太陽能和蓄電池供電的城市窨井安全監測系統，能夠實時監測城市窨井內各種安全隱患信息，一旦有險情發生，將及時提醒市政部門采取相應措施，避免遭受生命財產損失。需要指出的是，若將本系統應用于實際的城市窨井安全監測中，可能會由于Zigbee終端節點數量過多和周圍建筑物遮擋等情況，使數據傳輸的可靠性會有一定的下降，這就需要進一步改善路由算法，或在傳感器節點密度大的地方增加路由節點或協調器節點數量，以改善數據傳輸的可靠性。

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The Inspection Well Security Monitoring System Based on Zigbee Wireless Sensor Networks

YANG Yongchao，ZENG Gang，HUANG Yong，HUANG Lin
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

As more and more accidents involved with inspection wells in the city cause great losses in human life and property，which include explosion caused by high-density combustible gas，damage of inside cables from high-level water，and loss or dislocation of the inspection well covers，this paper designs a security monitoring system for inspect wells based on Zigbee wireless sensor network.This monitoring system could monitor in real-time various potential safety risk information，such as the density of combustible gases，level of water inside the well，or cover location of the well，etc.Once the surveyed data above exceed the given thresholds，warning messages would be transferred to the monitoring center immediately through GSM mobile phone network or internet，altering the municipal management to take measures to avoid life or property loss.Test results show that the system achieves expected effect and possess wonderful practicability.

Inspection well；Security monitoring；Wireless sensor networks；Zigbee

X924.3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.017

1671-1556（2015）05-0096-06

2015-01-21

2015-09-06

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201310517004）；湖北省自然科學基金項目（2013CEB044）

楊永超（1981—），男，碩士，講師，主要從事電子測量技術與無線傳感網絡等方面的研究。E-mail:yycy20@163.com