一種基于ZigBee的分布式井蓋監控系統*

李志，韋鵬程

(重慶第二師范學院 數學與信息科學系，重慶 400065)

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一種基于ZigBee的分布式井蓋監控系統*

李志，韋鵬程

(重慶第二師范學院 數學與信息科學系，重慶 400065)

隨著我國現代經濟發展水平的不斷提高，城市井蓋數目逐漸增加。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無線網絡的智能安全監控系統，解決分布式布控困難、不能實時監控、成本較高的問題。融合GPRS網絡，設計相應的嵌入式網關和Web服務器，實現了對缺失井蓋的精確定位、自動報警功能。

井蓋防盜；ZigBee；GPRS網絡；嵌入式網關

引 言

城市道路上的井蓋經常會出現破損或丟失，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。據統計，一般城市井蓋年被盜數量超過總量的1%左右。井蓋產生的安全隱患包括：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中毒、爆炸等危險事件[1]。

1 系統概述

圖1為系統工作原理圖，系統組成為包含井蓋報警器的ZigBee網絡、嵌入式網關、GPRS短信模塊、Web服務器。井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術，每個報警器作為ZigBee網絡中的節點，通過固定的組網方式形成無線傳感網絡。報警器以接力的方式將數據傳到ZigBee網絡的協調器節點，協調器節點負責接收所有網絡中的報警器節點信息。

圖1 系統工作原理圖

協調器節點和嵌入式網關之間交互數據，將ZigBee網絡中的各個報警器節點信息匯聚傳遞到嵌入式網關，同時將用戶查詢和設置命令下發給ZigBee網絡。通過采集數據嵌入式網關能夠對各個井蓋報警器狀態和位置進行顯示和存儲。嵌入式網關同時還起到實時報警和上傳數據到網絡的作用，GPRS模塊主要負責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電路將其轉發到具有固定IP地址的Web數據庫服務器中，實現報警數據的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構可以通過網絡查詢自己單位的井蓋狀態，是否需要維護，并同時發送短信給檢修人員，實現及時維修和處理。

工作原理：當井蓋被打開后，井蓋報警器上面的紅外感應傳感器感知光線產生報警，將報警信息通過ZigBee網絡傳輸，傳到嵌入式網關中。嵌入式網關處理數據，顯示報警位置，通過GPRS模塊將信息統一發送至固定IP的服務器上，用戶通過Web服務器中心可以查詢每個井蓋的安全情況。同時，服務器中心通過互聯網將消息發送給每個附近的維修單位，達到實時安全監管的效果。GPRS模塊會將井蓋的位置和情況發送給周邊的檢修人員，通知檢修人員及時修理。

2 系統組成

2.1 井蓋報警器節點

圖2所示為井蓋報警器節點結構圖,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 井蓋報警器結構圖

其中,負責組成網絡的ZigBee控制器采用TI公司生產的針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2530，內部集成了工作在2.4 GHz的射頻發射器和低功耗的8051 MCU內核。

井蓋報警器節點的原理為：通過嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統供電，通過傳感器檢測井蓋安全狀況。當井蓋被盜時，光敏傳感器感知光線并將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中；當沼氣濃度過高時，氣體傳感器感知濃度，將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中。

2.2 嵌入式網關

嵌入式網關采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達到667 MHz。該網關具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴展設計了一個ZigBee網關，采用Linux操作系統，移植TCP/IP協議，將網絡故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項目中的網關很好地克服了傳統網關架構下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協議轉換過程中的資源和處理時間消耗。該網關設計思路新穎，具有較強的實用性。界面簡單易操作，通信效果良好，能夠通過網絡遠程監測井蓋安全的實時變化，為市政提供了有效、及時的信息。

2.3 Web服務器

利用PC機建立Web服務器，對無線傳感網絡中的數據進行存儲和顯示，同時通過網絡連接至政府部門，方便各個單位查詢井蓋情況。在服務器設計中，前端采用ASP.NET 開發頁面，后端采用ADO.NET操作數據庫。每個報警器節點數據傳輸過來到服務器后，服務器通過SQL數據庫進行接收、處理和存儲。主要信息包含：井蓋節點位置信息、安全狀況信息、實時監控信息、歷史監控信息。Web服務器根據設計功能需求，主要分為登陸界面、井蓋分布位置界面、井蓋安全狀況界面、歷史數據等界面。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

3.1.1 ZigBee模塊

ZigBee網絡中模塊有三種類型：協調器、路由器和終端節點。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協議，集成了RF和8051 MCU內核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達到100 m,具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統。

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度，當井蓋損壞或被盜后，光敏二極管檢測光線發生變化從而報警。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，氣體傳感器主要負責檢測下水道沼氣是否超標。

3.1.3 GPRS模塊

GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設備采用高性能處理器，內嵌TCP/IP協議棧，保證數據可靠傳輸。GPRS模塊主要負責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電路將其轉發到具有固定IP地址的Web數據庫服務器中，實現報警數據的上傳。同時,發送短信給維修人員，實現及時維修和處理。

3.2 系統軟件設計

3.2.1 系統工作流程

ZigBee井蓋報警系統的工作流程如圖3所示。ZigBee井蓋報警器正常工作狀態時處于休眠狀態，當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行ZigBee網絡的無線傳輸，將數據傳遞給網絡中鄰近的節點，最后傳輸給嵌入式網關進行處理。嵌入式網關控制GPRS模塊將信息發送給Web服務器，同時發送報警短信給維修人員，Web服務器通過數據庫將信息存儲。

圖3 井蓋報警系統工作流程圖

3.2.2 ZigBee協調器

ZigBee網絡協議采用TI公司的Z-STACK，協議棧為ZigBee 2007。ZigBee 2007是ZigBee聯盟開發的一種低成本、極低功耗的雙向無線通信標準，是TI公司專門為CC2530芯片設計的協議棧[6]。本系統協議設備以協調器和路由器為主，軟件設計主要包含協調器節點軟件和路由器節點軟件。

圖4 協調器軟件流程圖

ZigBee協調器的軟件流程圖如圖4所示，ZigBee網絡啟動時會進行設備初始化，通過協調器設置網絡唯一的PAN ID，設置協調器的地址。進入信道掃描階段，判斷現在是否有相同PAN ID的網絡，如果存在的話就選擇現有協調器節點發送入網請求。如果不存在網絡，協調器在信道掃描成功后會排列信道，并選擇出最優通道，確定網絡ID，建立網絡[7]。網絡建立好以后，協調器會進入無線偵聽的階段，如果有新設備節點加入網絡，協調器會按順序給其分配網絡地址。如果有串口數據接收，協調器會進入處理串口數據的階段，主要負責嵌入式網關發送的控制命令。

3.2.3 ZigBee路由器

圖5 路由器軟件流程圖

報警系統中的井蓋報警器作為ZigBee網絡中的路由器，主要負責報警數據采集和中繼傳輸。通過配置CC2530的ADC控制器開始數據的采集，設置A/D轉換的速率和讀取數據時間間隔。路由器的軟件流程圖如圖5所示，路由器節點上電后進行軟硬件的初始化，掃描網絡是否存在，選擇符合的PAN ID網絡加入，成為網絡中的子結點。

路由器加入網絡后處于休眠狀態，當有告警中斷產生時，喚醒CPU并進入中斷處理函數，中斷處理主要包含對數據的采集和發送，將報警器的傳感器數據采集打包發送到父節點中，完成后退出中斷進入休眠狀態。

結 語

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

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

[3] 任豐原,黃海寧, 林闖. 無線傳感器網絡[J]. 軟件學報,2003,14(7):1282-1291.

[4] 梁宗保,李鵬. 基于ZigBee技術的無線傳感器網絡網關設計與實現[J]. 計算機與現代化，2013(6):133-138.

[5] 楊誠,聶章龍. ZigBee網絡層協議的分析與設計[J]. 計算機應用與軟件,2009,26(12):203-206.

[6] 張朋,陳明,陳亞萍. 無線傳感器網絡操作系統關鍵技術[J]. 計算機應用研究, 2007(10):24-25.

[7] 曹莉,曾黃麟,樂英高. 基于ZigBee和MSP430無線溫度控制系統設計[J]. 四川理工學院學報:自然科學版,2012,25(1): 52-55.

李志(講師),研究方向為嵌入式、無線傳感網絡、物聯網技術；韋鵬程(教授)，研究方向為保密通信、復雜網絡控制和計算智能。

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

重慶第二師范學院科研基金項目(項目編號：K9201321C)。

TP29

A

迪娜

2013-11-06)