基于無線傳感器網(wǎng)絡的沙井蓋監(jiān)測系統(tǒng)

沙井蓋系統(tǒng)是城市的重要組成部分，電力，通信，燃氣等各大企業(yè)都需要在城市中設置沙井蓋系統(tǒng)。隨著城市和經(jīng)濟的發(fā)展，沙井蓋系統(tǒng)也越來越龐大，對其的管理也越發(fā)的困難。沙井蓋被盜，汽車“輪陷”，行人落井，輕則負傷重則喪命——沙井蓋問題給人們的出行帶來安全隱患。無線傳感器網(wǎng)絡技術已經(jīng)在工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能家居等領域得到廣泛應用[1]。

本文設計一套的沙井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，結合單片機和傳感器技術，采集沙井蓋的狀態(tài)，并應用Zigbee技術，構建無線傳感器網(wǎng)絡，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，實現(xiàn)了沙井蓋的遠程監(jiān)測[2]，使得沙井蓋系統(tǒng)的管理更加方便、快捷，有效降低維護成本。

一、監(jiān)測系統(tǒng)設計

沙井蓋監(jiān)測系統(tǒng)主要包括控制中心、路由節(jié)點、沙井蓋節(jié)點和通信系統(tǒng)組成。如圖1所示，沙井蓋節(jié)點主要包括霍爾傳感器、時鐘芯片和Zigbee通訊模塊等，通過采集現(xiàn)場環(huán)境信息和沙井蓋工作狀態(tài)信息，通過Zigbee網(wǎng)絡傳輸?shù)铰酚晒?jié)點。

路由節(jié)點主要包括Zigbee通訊模塊、RTL8019AS以太網(wǎng)控制器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲芯片等，控制中心通過路由節(jié)點的IP地址，采用查訪的方式訪問路由節(jié)點，讀取節(jié)點信息。在出現(xiàn)故障時，路由節(jié)點會主動向控制中心發(fā)送報警信息。

二、系統(tǒng)硬件設計

2.1沙井蓋節(jié)點

沙井蓋監(jiān)測節(jié)點采用TI公司的CC2530作為控制芯片[4]，該芯片內(nèi)置高效低功耗8051內(nèi)核、256KB 可編程flash、電壓監(jiān)控電路和內(nèi)部芯片溫度傳感器、看門狗電路功能、并集成了ZigBee PRO/IEEE 802.15.4網(wǎng)絡協(xié)議，在板載PCB天線的條件下可實現(xiàn)80米可視范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊，及多節(jié)點之間的多跳路由。

霍爾開關具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下等特點。故采用全極霍爾開關檢測井蓋丟失和開啟。安裝有蜂鳴器和LED指示燈，在沙井蓋開啟或丟失的情況下進行報警。圖2為沙井蓋節(jié)點的電路原理圖。

2.2路由節(jié)點

路由節(jié)點電路以CC2530作為控制芯片和Zigbee通訊模塊。采用RTL8019AS芯片作為以太網(wǎng)控制器，該控制器符合Ethernet II與IEEE 802.3標準，采用全雙工收發(fā)并可同時達到10 Mb/s的速率，內(nèi)置16 kB的SRAM，支持8/16位數(shù)據(jù)總線，可以方便的與微處理器進行連接。

三、控制方法與軟件設計

沙井蓋控制系統(tǒng)主要是對沙井蓋節(jié)點的工作狀態(tài)，故障檢測等信息進行監(jiān)測。其控制方法包括沙井蓋安裝、故障檢測、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。

3.1故障安裝及檢測方法

沙井蓋管理系統(tǒng)的一個非常關鍵的功能就是對沙井蓋的狀態(tài)進行檢測。我們可以利用全極霍爾效應開關對沙井蓋的狀態(tài)檢測，來判斷沙井蓋的開關狀態(tài)[5]。

如圖3所示，圖中A點為磁鐵，安裝在沙井蓋與地面連接處的空隙部分。B點為節(jié)點模塊中的全極霍爾效應開關。在水井蓋關閉時，B點檢測到A點的磁場，全極霍爾效應開關打開；在沙井蓋打開的時候B點無法檢測到磁場，全極霍爾效應開關關閉。

3.2沙井蓋管理策略

對于同一個網(wǎng)段的沙井蓋節(jié)點，其數(shù)據(jù)匯總到一個路由節(jié)點中，由于同一個Zigbee網(wǎng)段內(nèi)可掛載256個子節(jié)點[3]，因此在沙井蓋安裝的時候，可通過控制電路上的8位撥碼開關對沙井蓋的地址進行設置（0～255），其中0號地址為該網(wǎng)段路由節(jié)點的地址。

3.3控制程序設計

3.3.1沙井蓋節(jié)點程序設計

沙井蓋節(jié)點首先進行Zigbee組網(wǎng)，然后檢測沙井蓋開啟狀態(tài)信息，再監(jiān)聽Zigbee網(wǎng)絡的指令信息，根據(jù)指令信息反饋當前狀態(tài)。沙井蓋節(jié)點的控制流程如圖4所示。

3.3.2路由節(jié)點程序設計

路由節(jié)點主要協(xié)調(diào)沙井蓋與控制中心上位機之間的數(shù)據(jù)。由于節(jié)點的個數(shù)較多，如果由沙井蓋節(jié)點主動向路由節(jié)點發(fā)送信息的話容易造成同一網(wǎng)段內(nèi)多個節(jié)點同時向路由節(jié)點發(fā)送信息的情況，造成信息的滯后，甚至丟失，因此路由節(jié)點與沙井蓋之間采用主動查詢的方式，由路由節(jié)點定時向沙井蓋節(jié)點發(fā)送查詢指令來查詢沙井蓋節(jié)點的狀態(tài)信息。同理控制中心也是采用定時向路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令來取得各網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。

沙井蓋控制的實時性要求不用很高，可以幾分鐘查詢一次節(jié)點信息。因此不會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)傳輸。路由節(jié)點的控制流程如圖5所示。

3.3.3上位機程序

上位機程序采用ACCESS數(shù)據(jù)庫對沙井蓋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。每個沙井蓋節(jié)點的信息作為一條記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，并以表格的形式把節(jié)點信息顯示于主界面上?？商砑觿h除網(wǎng)段，對網(wǎng)段的IP地址進行配置，添加刪除沙井蓋節(jié)點，雙擊表格中的選項對沙井蓋的設置進行修改。

3.3.4數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

沙井蓋節(jié)點與路由節(jié)點，路由節(jié)點與控制中心之間都需要數(shù)據(jù)通訊，它們之間的通訊協(xié)議如下：

四、結論

經(jīng)實地測試，單節(jié)點間可實現(xiàn)空曠地帶80米距離內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，對于距離較遠的，可以加上外置天線，可實現(xiàn)100-2500米空曠范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，運行狀態(tài)穩(wěn)定，對于節(jié)點與服務器之間的連接，采用跳由節(jié)點多跳的方式傳輸。

基于無線傳感網(wǎng)絡的沙井蓋監(jiān)測系統(tǒng)采用Zigbee無線自組網(wǎng)絡，實現(xiàn)了沙井蓋的遠程監(jiān)測，為沙井蓋的統(tǒng)一管理提供了可能，也大大降低了沙井蓋維護的難度和成本，也為行人出行的安全提供較有力的保障。具有廣泛的應用前景和推廣價值。該方案目前適用于小區(qū)等環(huán)境較簡單的地方，對于公路，廠區(qū)等環(huán)境較惡劣的地方，還應該考慮設備對環(huán)境的適應性，比如密封、抗腐蝕等。

在后期的研究中，可加入GPRS無線通訊，對一些偏遠地區(qū)無法連接網(wǎng)絡的，可以采用GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊[6]。還可增加其它傳感器對井內(nèi)情況，如注水情況等進行檢測，還可增加多節(jié)點協(xié)同的控制策略，是研究無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡的較好的應用平臺。

參 考 文 獻

[1]周怡頲， 凌志浩， 吳勤勤. ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005（6）：5-9.

[2]崔杰. 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡平臺設計與實現(xiàn)[D]. 華南理工大學，2012.

[3]臺宏達， 田國會等. ZigBee2006協(xié)議棧的無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡構建[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2009（7）：35-38.

[4]李俊斌，胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡的應用設計[J]. 電子設計工程，2011（16）：108-111.

[5]彭建盛，藍忠武. 基于無線傳感網(wǎng)絡的智能路燈系統(tǒng)[J]. 河池學院學報，2010，（30）：52-57.

[6]張俊華. 基于 GPRS 和Zigbee 的無線智能路燈控制系統(tǒng)設計[J]. 計算機光盤軟件與應用，2012，（7）：200-201.