基于ZigBee的地下管線智能監管系統

楊書鴻 林佳星

摘要 地下管線涉及多種管線交叉，形成了一張錯綜復雜的地下管線網絡。設計了一個基于ZigBee的地下管線智能監管系統，可實現實時檢測、監控、分析和管理地下各種管線的各項指標。主要介紹ZigBee、CC2530、傳感器技術，實現該系統的軟硬件設計方法。該系統可以使管線的維護、檢修等工作簡化，減少安全隱患。

【關鍵詞】ZigBee CC2530 智能監管 傳感器

1 引言

隨著社會經濟的發展，地下管線遍布城市的各個角落。城市地下管線可分為給水、排水、燃氣、熱力、電信、電力、工業和綜合管溝八大類管線。城市地下管線擔負著城市的信息傳遞、能源輸送、排澇減災、廢物排棄的功能。是城市賴以生存和發展的物質基礎，是城市基礎設施的重要組成部分。我國地下基礎設施建設較滯后，運用傳感器、ZigBee等物聯網技術，實現實時檢測、監控、分析和管理地下各種管線的各項指標，推進城市的地下綜合管廊建設。地下管線智能監管系統系統可解決城市交通擁堵現象，減少頻繁挖掘道路對交通造成影響。方便了電力、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修。地下管線智能監管系統利用傳感器技術可以對各種指標進行監測井能對故障及時作出處理。不但減少了安全隱患，還可以減少巡線人員的成本。

2 系統總體設計

設計的基于ZigBee的地下管線智能監管系統，可對各種管線的各項指標實現實時檢測、監控、分析和管理。物聯網技術可在地下管線上預先嵌入傳感器，可輕松獲得有關地下管線自身及運行情況的關鍵參數，從而解決城市地下管線智能監管體系中的一個關鍵技術問題。

通過比較目前主流的短距離無線通信技術，包括藍牙、（Bluetooth）、Wi-Fi、ZigBee、UWB等，選擇了綜合性能最優的ZigBee通信技術。本設計實現的主要功能有三個方面：根據采集數據分析地下管線中的溫濕度情況，及時的通過控制面板上的控制開關來調整地下管線內的溫濕度值;采集到有煙霧或可燃性氣體的時候，發出報警信息，及時的確定事故發生區域，并作出處理;根據采集信息做系統分析。總體設計思路是：在該設計中，感知層技術利用DHT11溫濕度傳感器和煙霧氣敏傳感器來實現數據采集。網絡層技術利用ZigBee技術特有的自組織網絡技術搭建起來的無線網絡來進行終端節點周期性采集數據的上傳;協調器實現數據接收和轉發，PC端軟件控制命令信息的下達。應用層技術利用軟件來實現對各項監測數據的顯示。物聯網技術架構圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

系統硬件設計主要由CC2530開發板、DHT11溫濕度傳感器、煙霧氣敏傳感器、報警器和繼電器等組成。

3.1 CC2530開發板

在協調器和終端節點方面采用了帶002530芯片的開發板。CC2530開發板結合了德州儀器的黃金單元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。它能夠以低成本建立強大的網絡結點，具有多種運行模式，適應超低功耗要求的系統。002530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強大的功能。

3.2 DHT11溫濕度傳感器

采用DHT11溫濕度傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器周期性采集溫濕度數據，并通過終端節點，將采集到的信息通過天線以無線傳輸的方式發送給協調器，協調器接收到數據后，將這些數據轉發給PC機，PC機接收到這些數據后，進行數據分析處理，并將分析得到的數字量數據以波形圖和數字的形式，顯示在控制界面上。用戶可以根據這些數據分析地下管線中的溫濕度情況，及時的通過控制面板上的控制開關來調整地下管線內的溫濕度值。

3.3 煙霧氣敏傳感器

采用煙霧氣敏傳感器，通過監測煙霧的濃度來實現火災防范的，煙霧報警器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種先進技術，工作穩定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統中，性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。傳感器周期性采集數據，當采集到有煙霧或可燃性氣體的時候，它才會發出報警信息，并在用戶界面上顯示警示信號。用戶在獲取顯示的警示信號后，可以及時的確定事故發生區域，并作出處理。

對于傳感器節點，主要分布在地下無人環境，無法提供市電作為恒定電源，因此，對于它們的供電，可以選擇便攜式電池供電。

3.4 ZigBee

采用綜合性能最優的ZigBee通信技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的協議，其主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

ZigBee協調器功能，ZigBee終端將傳感器采集到的信息通過ZigBee網絡傳給ZigBee協調器，ZigBee協調器通過串口發送至PC機，PC機分析數據，根據情況發出控制命令。ZigBee終端功能，周期性的收到傳感器接收的信息，并將該信息傳送給ZigBee協調器，并通過ZigBee網絡接收PC機通過ZigBee協調器傳送的控制信息。

ZigBee終端工作過程流程圖如圖2所示。

本系統可根據數據定期的做系統分析，可以根據分析得到數據，預估管線的使用壽命，對于那些需要更換的管線，可以預先聯系廠家生產，既提供了市場需求，又不至于使得企業生產過剩，還消除了城市安全隱患。

3.5 報警器

當出現危險狀況時，需要進行報警，才能達到安防的效果。其中報警器是最重要的一個部分。本此設計中采用了蜂鳴器對溫度報警信號進行報警，由于CC2530的I/O驅動能力有限，所以要用三極管進行放大，提高驅動能力，可以產生良好的報警效果。當協調器檢測到溫度超過范圍后，就產生一個溫度報警信號，輸出到報警電路中。當輸入端接收到低電平后，三極管導通，蜂鳴器就會發出聲音，即可作為報警器使用。

4 系統軟件設計

系統的軟件設計是在硬件設計的基礎上進行，良好的軟件設計是實現系統功能的關鍵環節。本設計采用TI公司推出的ZigBee協議棧（Z-Stack），采用IAR集成開發環境。IAR是一款C語言交叉的編譯器，是一款完整、穩定且容易使用的專業嵌入式應用開發工具。能夠直接使用TI公司提供的Z-Stack協議棧進行二次開發，開發人員只需要調用相關的API接口函數。上位機軟件設計，節點采集到其他節點的傳感器數據后要在PC終端進行顯示并可以執行一些控制操作，從而需要上位機軟件部分實現與下位機之間的數據通信。實現各種控制功能的設計。設計的軟件來實現對各項監測數據的顯示，還增加了二維坐標圖的顯示，更加直觀全面的顯示溫濕度數據。并且可以通過控制繼電器的閉合，達到對基層硬件進行簡單控制的目的，比如通過繼電器控制燈的亮滅、蜂鳴器的鳴響等。

5 結束語

本文對基于ZigBee的地下管線智能監管系統進行了分析，給出了具體設計方案。設計的系統可以實現實時檢測、監控、分析和管理地下各種管線的各項指標，方便電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修，對滿足民生需求和提高城市綜合承載力，保障城市運行安全取得較好的效果。可以在實際應用中參考。

參考文獻

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