基于LM3S9B92和Zigbee技術的城市軌道施工安全監控系統*

劉鵬

(重慶電子工程職業學院通信工程學院，重慶401331)

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基于LM3S9B92和Zigbee技術的城市軌道施工安全監控系統*

劉鵬*

(重慶電子工程職業學院通信工程學院，重慶401331)

摘要:以LM3S9B92為核心設計了一種基于Zigbee無線傳感器網絡的城市軌道施工安全監控系統，可以實現城市軌道施工環境參數監測，人員定位和設備遠程控制等功能。根據系統的功能需求和系統構成特點，對系統總體方案、系統硬件設計方案和系統軟件設計方案進行了設計和實現。經城市軌道施工環境測試，該系統各個功能模塊性能良好，很好的實現了環境監測、人員定位和語音通信，設備的遠程控制等功能，達到了預期的設計目標。

關鍵詞:LM3S9B92; Zigbee;嵌入式;軌道交通;安全監控系統

軌道交通是解決能源危機和實現環保交通的重要手段，對解決城市矛盾，改變城市布局，實現城市環境和交通綜合治理，引導城市走可持續發展之路起到了強大作用。目前，我國的城市軌道交通進入快速發展階段，目前我國25個城市正在進行城市軌道交通的前期工作，總規劃里程超過5 000 km，總投資估算超過8 000億元。國家安全生產監督管理總局提出加強落實城市公共交通優先發展戰略，但是我國地鐵等軌道交通的建設、運營安全等問題日益突出［1］。本文以LM3S9B92為核心開發設計了一套基于Zigbee無線傳感器網絡和Web Server的城市軌道施工安全監控系統。Zigbee作為新興的無線通信網絡技術，具有高容量，高延展性，高可靠性等優點，非常適合應用于復雜地理環境下的監控領域［2］。本文的系統示意圖如圖1所示。監控中心的電腦終端通過串口或以太網、LM3S9B92、CAN總線、轉發器等對工人的安全進行實時監測。在發生緊急情況時，工人可以通過臨近節點上的報警裝置向監控中心發送報警信號。突發情況時，節點設備遭到破壞時，可以利用Zigbee網絡的自組織特性，通過人工布置節點實現迅速組網，重新恢復整個系統的功能。本文的技術突破，可以為軌道交通的施工安全提供強有力的技術保障體系，對新技術和交叉學科的發展具有積極的意義。

圖1　系統示意圖

1　系統總體方案

本系統以LM3S9B92作為核心控制器，包含Zigbee無線傳感器網絡、轉發器、CAN總線傳輸和串口或以太網組成［3］。系統結構如圖2所示。每個工人配備一個無線傳感器節點，在工人所經過的路線上會沿路放置一些轉發器。工人在移動的過程中身上攜帶的傳感器節點能夠自動和不同的轉發器進行通信，把監測到的數據發送出去。轉發器收到傳感器節點發來的數據幀之后，在數據幀前面加上轉發器的ID，組成一個新的數據幀發送到CAN總線上。和CAN總線相連的LM3S9B92收到CAN總線上傳來的數據幀之后，將該數據幀轉換成能夠通過串口或者以太網方式向地上監控中心的監控電腦發送。監控中心的電腦收到數據幀之后，將更新監控界面上對應傳感器節點上的對應的測量值，當環境參數值超過極限值時，監測中心的電腦也會發出報警聲。監測中心的電腦將記錄任意時刻收到的數據，為發生事故之后對事故原因分析提供依據。另外，當意外事故發生時(如工人摔傷)，工人可以按下其攜帶的傳感器節點上的求救按鈕，此時傳感器節點和監測中心都會發出報警信號。傳感器節點發出報警聲時，四周的工人將過來援助;監測中心發出報警聲時，可以根據轉發器和傳感器的ID號來確定其位置和身份。

圖2　系統方案框圖

2　系統硬件設計方案

系統硬件由電源管理模塊、傳感器模塊、無線射頻模塊和LM3S9B92控制器模塊組成［4］。

本系統電源管理模塊設計了2種電源供電方式，5V直流電源供電和3V電池供電［5］。通過LMlll7－3.3把5 V的直流電轉化為3.3 V。此外還有3 V電池電源輸入口。考慮到本系統中定位參考節點安裝位置的固定性和待定位盲節點設備的移動性，使用時根據各個設備的特點和實際使用時的現場環境，可以通過SW-SPDT開關在兩種供電方式之間進行切換。對于待定位的移動盲節點設備，考慮到其移動性，主要采用電池供電。而對于系統中安裝位置固定的參考節點設備，在工作時不需要移動，可以選擇直流電供電并同時給電池充電，以減少更換電池帶來的操作不便，當發生意外情況，直流供電線路遭到破壞時，可以轉換為電池供電，從而保證系統的正常運行。同時，電源管理模塊使用能量采集技術延長電源的使用時間，可以減少電池所需要的充電的次數［6－8］。

圖3　系統硬件結構

在本系統傳感器模塊中，城市軌道施工作業人員攜帶的傳感器網絡節點包括了環境參數采集的電路和報警電路［9－10］。由于瓦斯的主要成分包括甲烷、一氧化碳，有必要對這二種氣體的濃度進行檢測，一旦這二種參數到達預定值，報警系統就會給出警告。另外，為了對城市軌道施工環境更加了解，我們對煙霧濃度、溫度參數也進行的采集，監測中心的電腦可以隨時顯示任意工人所處環境的這4個參數。

表1　傳感器網絡信息

表1為傳感器的網絡信息。其中，參數類型包含了所要采集的五類環境參數。器件類型是各個參數類型所采用的傳感器器件。傳輸數據類型是在整個系統中傳遞數據時，用它來代表參數類型，比如傳輸數據類型為3，代表此時傳輸的是一氧化碳濃度的數據。ZigBee節點對應引腳為井下作業人員攜帶的ZigBee終端節點與環境參數采集電路連接時所使用的引腳。

本系統無線射頻模塊采用ZigBee無線網絡技術，可以在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信［11］。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此它們的通信效率非常高。城市軌道施工作業人員不可能一直呆在一個地方，他可能從一個網絡進入下一個網絡。此時，ZigBee的自組織功能能夠自動斷開已建的網絡切換到新的網絡，從而便于工人從一個轉發器網絡切換到另一個轉發器網絡。此外ZigBee節點的主控芯片為CC2530，可完成A/D采樣而無需增加其它的A/D采樣芯片，這可以縮小傳感器節點的大小。

本系統LM3S9B92控制器模塊為了進行PC機近距離通信和維護，可以使用串口通信［12］。或者為了方便進行遠距離通信和維護，可以使用以太網通信。LM3S9B92支持CAN2.0協議，通信速率最高可達1 Mbit/s，支持32個擁有獨立標識的消息對象，因此完全能夠滿足CAN總線上數據的收發。

3　系統軟件設計方案

本系統的軟件設計主要包括Zigbee協議棧Z-Stack的開發和節點傳感器程序設計兩部分。

在Zigbee無線傳感器網絡中，Z-Stack的開發主要包括轉發器節點程序和執行各種功能的終端節點程序開發。Zigbee無線定位網絡的轉發器不但負責建立和管理網絡，而且是Zigbee網絡與PC機之間進行數據轉發的樞紐。轉發器工作流程如圖4所示。

參考節點是Zigbee無線定位系統中已知坐標的靜態節點，主要作用是擔當Zigbee網絡的路由器，它的任務主要是給待定位的移動盲節點提供包含自身位置X，Y坐標和RSSI值的信息包。通常情況下，一個定位區域具有3個～8個參考節點，參考節點工作流程如圖5所示，查看參看節點配置的流程如圖6所示。

本系統盲節點定位設計采用基于RSSI的定位方法。待定位的移動盲節點收集到臨近參考節點發送的RSSI值和其X，Y坐標值后，利用理論和經驗模型將傳播損耗轉化為距離，之后將其輸入到芯片內的定位引擎，再利用三邊測量的方法計算出待定位移動盲節點的位置信息［13］。

圖4　轉發器建網和子節點入網流程

圖5　參考節點工作流程

三邊測量的方法如圖7所示。已知三個參考節點的坐標分別為A(XA，YA)、B(XB，YB)、C(XC，YC)，以及它們到移動盲節點D的距離分別為dA、dB、dC。那么存在下列方程組:

圖6　查看參看節點配置

由式(1)可得D(X，Y)的坐標為:

在城市軌道施工中，由于無線信號的多重反射，會使得三邊測量法定位缺乏準確性。因此，本系統以三邊測量法為基礎，采用文獻［14］中的錨節點加權補償定位算法。該算法利用錨節點自身的定位功能，通過加權質心方法獲得定位系統在錨節點附近的區域定位誤差，并對該誤差進行補償，從而提高該區域盲節點的定位精度。

圖7　三邊測量法示意圖

本系統對終端節點的傳感器數據采集設計了周期采集和睡眠兩種工作模式。在周期采集模式中，網絡中的終端節點按照系統設定的時間間隔對傳感器數據進行采集和上傳，當采集和發送完成以后，終端節點將轉入睡眠模式。節點傳感器數據采集流程如圖8所示。

圖8　節點傳感器數據采集流程

4　測量結果及結論

圖9是Zigbee移動終端和轉發器實物圖，圖10 是Zigbee各個子節點實物圖。本系統的測量過程，在城市軌道施工環境下進行。測量過程在不同的位置安裝了8個Zigbee子節點設備。在測量過程中，系統可以搜索到各個節點設備，并在網絡中能夠準確的傳輸控制指令和傳感器信息。測量結果如表2所示。由測量結果可以看出，系統最大誤差:0.8 m，符合城市軌道施工定位要求［15，16］。

圖9　Zigbee移動終端和轉發器

表2　測量結果

通過對整個系統的測試我們得到以下結論，該系統能夠在環境參數超過事先設定好的上限值時工人隨身攜帶的傳感器節點發出報警聲，同時PC機的監控程序也能夠發出報警聲，監控界面上的超出預設值的節點能夠閃爍。當工人按下求救按鈕時，傳感器節點能夠發出求救聲，同時PC機上的監控程序也能夠收到求助信號發出報警聲并顯示出求救的節點。經城市軌道施工環境測試，本系統各個功能模塊性能良好，很好的實現了環境監測、人員定位和語音通信，設備的遠程控制等功能，達到了預期的設計目標。

圖10　Zigbee各個子節點

參考文獻:

［1］王忠文，方鳴.城市軌道交通安全評估現狀綜述［J］.現代城市軌道交通，2013(5):1－5.

［2］侯艷波，秦會斌，胡建人，等.基于嵌入式和ZigBee技術的節能系統的設計與實現［J］.電子器件，2012，35(6):670－673.

［3］胡林權.基于LM3S9B92的鋰離子電池充電器的設計與實現［J］.微型機與應用，2012，31(14):85－87.

［4］杜娟，賈海瑞，李眾立.基于邏輯區域的ZigBee網絡地址分配算法［J］.傳感器與微系統，2013，33(1):126－129.

［5］林光，李傳偉.礦井提升機控制系統的電源設計［J］.煤礦機電，2010(3):62－65.

［6］Qian Huang，Chao Lu，Mark Shaurette.Feasibility Study of Indoor Light Energy Harvesting for Intelligent Building Environment Management［C］//International High Performance Buildings Conference.USA，2010:1－6.

［7］趙慶平，苗曙光，趙鑫.基于LEACH協議的WSNs樓宇環境監控系統的設計［J］.電子器件，2014，37(3):493－497.

［8］Chao Lu，Vijay Raghunathan，Kaushik Roy.Efficient Design of Micro-Scale Energy Harvesting Systems［J］.IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems，2011，1(3):254－266.

［9］江杰，李計川.基于DS18B20的高精度溫度測量系統在高爐上的應用［J］.傳感器與微系統，2012，31(11):144－146，152.

［10］琚雪梅，張巍，畢東云.紅外吸收型CO2氣體傳感器的設計［J］.傳感器技術，2005，24(8):62－64.

［11］張美琪.LM3S系列微控制器的高效RS485通信設計與實現［J］.微計算機信息，2010，26(5):136－138.

［12］田紅霞，戴彥，鹿玉紅.基于FPGA的RS232串行接口設計［J］.煤炭技術，2010，29(9):194－196.

［13］譚志，張卉.無線傳感器網絡RSSI定位算法的研究與改進［J］.北京郵電大學學報，2013，36(3):88－91，107.

［14］葛文濤，陳俊杰.基于三邊定位的WSN錨節點加權補償算法［J］.測控技術，2010，29(9):92－95.

［15］李書生.城市地鐵軌道施工技術［J］.科技傳播，2013，(24):157－158.

［16］馬堯成.城市軌道交通地面施工控制網測量與研究［J］.都市快軌交通，2011，24(1):41－45.

劉　鵬(1977－)，男，漢族，山東威海人，重慶電子工程職業學院，副教授，博士，從事計算機通信技術方面研究，pengliu789@126.com。

Design and Implementation of Intelligent Nursing Bed System Based on Ethernet*

CHANG Guoquan*，HOU Guifa，GUO Xiaobo
(Department of Computer Science and Information Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang He’nan 455000，China)

Abstract:In order to provide better care and nurse for the old，disabled people，reduce the working strength of the nursing staff and improve the nursing efficiency and quality，using STM32 microcontroller and ENC28J60 Ethernet chip，an intelligent nursing bed system with network function was designed.By collecting and processing sensor signals of nursing bed，STM32 microcontroller completed automatic urinal，left and right turning，interactive operation，automatic alarm，network management，centralized supervision function and so on.After being tested，the system was proved to be safe and reliable，simple operation，convenient management and good results were obtained.

Key words:nursing bed; STM32 microcontroller; ENC28J60; uIP protocol stack; ACS712ELC

doi:EEACC:6210C10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.035

收稿日期:2014－11－20修改日期:2014－12－10

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0887－06

項目來源:重慶市教委科學技術研究項目(KJ1402909);重慶市教育科學“十二五”規劃2014年度重點課題項目(2014－GX－055)