基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠程監控系統設計

北方民族大學電氣信息工程學院 趙士鵬

基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠程監控系統設計

北方民族大學電氣信息工程學院 趙士鵬

針對當前城市地下管網井蓋因丟失、損壞等造成的“城市陷阱”問題，提出了ZigBee技術與GPRS技術相結合的智能井蓋遠程監控系統。利用觸發器端采集各個井蓋的狀態信息，并將信息發送給集控器端，進而通過GPRS網絡將信息實時傳送至監控中心端。既實現了井蓋狀態的實時監測，還能使監控中心工作人員通過平臺能夠第一時間了解到井蓋的故障信息，以便及時對故障進行處理，確保井蓋處于良好狀態。該系統使得井蓋管理由過去的被動式變成主動管理，由人力巡查變為電腦監控，大大提高了城市井蓋管理效率，減少了“城市陷阱”造成的損害。

ZigBee；GPRS；智能井蓋遠程監控系統

0　引言

隨著我國城市建設的發展，城市基礎設施建設事業也得到了持續高速的發展。城市中給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信等各類市政公用設施日益增加。城市路面的各類管線設施的井蓋也相應的不斷增多。 檢查井蓋成為市政工作的重要內容，但是由于井蓋數量龐大、分布范圍廣泛，當井蓋發送破損、丟失、錯位等問題時往往得不到及時的處理，以至于成為馬路“奪命陷阱”，嚴重威脅人民群眾的生命安全。由于近年來“奪命井蓋”事件時有發生，提高地下管網井蓋的管理力度，成為市政管理部門面臨的一項艱巨任務。

針對城市“奪命陷阱”問題，本文設計了基于ZigBee和GPRS的智能井蓋監控系統，利用無線傳感技術和無線通信技術實現井蓋的數字化管理。利用先進技術來解決井蓋管理問題。做到問題早發現、早解決，確保井蓋處于良好狀態，最大限度的保障人民群眾的人身安全。

1. 系統的總體構架

基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠程監控系統，是無線傳感網絡和GPRS無線網絡通信的有機結合。系統按照功能可分為井蓋觸發器（ZigBee終端節點+傳感器）、集控器（ZigBee協調器+GPRS數傳模塊）及監控中心（GPRS數傳模塊+監控軟件）等三個部分。系統實現的功能是井蓋觸發器實時采集井蓋的狀態信息，并發送給集控器，集控器再通過GPRS網絡將井蓋的實時狀態信息發送給監控中心。當觸發器檢測到井蓋丟失、移位（角度發生變化）等情況使監管中心能夠在第一時間內了解到井蓋的狀態信息，并將信息發送給到移動終端以便維修人員及時到達現場解決故障，實現了城市井蓋管理的智能化管理。智能井蓋監控系統結構如圖1所示：

圖1 智能井蓋監控系統

2. 系統硬件設計

2.1觸發器設計

井蓋觸發器是安裝在井蓋上的模塊，主要由ZigBee節點和傾斜傳感器、電源模塊及功能按鍵燈部分組成，它的功能是檢測井蓋的狀態信息（井蓋的傾斜角度），一旦井蓋狀態發生改變，觸發器就會把狀態信息及井蓋編號、位置坐標、責任單位、責任人等信息一并發送給集控器。傾斜傳感器采用MEC原裝SW-460DQ傾斜開關，用來檢測物體角度的變化，林敏度高。該傾斜傳感器模塊的接口采用三線制—VCC、GND和D0。其工作原理是模塊的數字輸出端D0直接與ZigBee模塊的I/O口相連，當模塊在無傾斜或者傾斜角度達不到設定閾值時，D0輸出高電平，當傳感器傾斜角度超過設定閾值時，D0口輸出低電平。在本系統中將傾斜角度的設定閾值設置為15度，ZigBee系統設置為每5秒鐘檢測一次I/O口的電平狀態，當檢測的低電平時觸發器就會向集控器發送信息。觸發器模塊的功能按鍵是用作維修人員檢修時做正常開啟設置的。

由于觸發器是在檢測到井蓋狀態發生改變后才開始作用，平常可以處于休眠狀態來降低觸發器的功耗，因此可以使用電池供電。其硬件結構如圖2所示：

圖2 觸發器結構圖

2.2集控器設計

集控器是位于監測區域的中心位置，它的作用主要有ZigBee無線傳感網絡的組建、維護和觸發器信息的中轉發送等。主要是由ZigBee協調器、GPRS模塊、電源模塊等組成。這里面協調器的功能是組建無線傳感網絡、收集觸發器發送過來的信息，通過轉換，最終通過GPRS模塊發送至監控中心。集控器中的ZigBee模塊和GPRS模塊通過MAX232串口連接構成通信網關，負責無線傳感網和GPRS網絡之間的數據通信。由于兩個模塊之間是通過串口進行通信的，因此信息在兩個模塊之間是透明傳輸的，無需進行復雜的轉換就可完成信息的傳輸。集控器結構如圖3所示。

由于本系統中集控器需要控制周圍上百個觸發器，需要始終處于喚醒狀態，所以對它采用太陽能電池供電。以保證系統能夠進行實時檢測。

圖3 集控器結構圖

3. 系統軟件設計

3.1系統工作流程

觸發器系統上電后完成一系列初始化操作，開始對井蓋的傾斜度進行檢測，根據傾斜傳感器的輸出口D0的電平的高低判斷井蓋的角度變化。當ZigBee終端節點檢測到D0口輸出低電平時，即可判斷井蓋角度發生變化，觸發器被觸發，接著向集控器發送檢測信息，信息經過集控器終端協調器透明的傳輸到GPRS模塊，最后傳到監控中心的上位機。

3.2上位機顯示

遠程監控上位機軟件采用VC6.0軟件進行開發設計，上位機顯示界面根據GPRS模塊功能進行開發，所顯示內容包括來自集控器轉發的檢測信息的顯示框、發送號碼、IP地址等。根據GPRS模塊的功能，只要在IP地址框輸入上位機的IP地址，就能實現集控器中的GPRS模塊和遠程監控上位機之間的通信功能，這樣就能收實現上位機顯示接收到的參數數據信息。

4. 結語

本文設計了基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠程監控系統，將ZigBee無線傳感網和GPRS網絡兩級網絡組合起來，充分發揮兩者的優勢，將傳感器技術、無線通信技術充分應用到井蓋系統的管理中去，實現了對分布在城市各區域的地下管網井蓋的管理的遠程數字化監控，使得井蓋管理工作由過去的被動式變成主動管理，通過電腦監控來保障井蓋安全，不僅節約人力，而且會大大提高管理的效率。本系統設計簡單、高可靠性，低成本的特點使得該系統可以進行推廣應用。

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