基于ZigBee的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

引言

隨著社會的不斷發(fā)展及城市數(shù)字化進程的不斷加快，城市的設施建設也是越來越多。如埋于地下的電力電纜管線，給水排水管線，天然氣、煤氣管線，通信電纜等。為了方便對其進行檢查和維修，所以每隔一定的距離就設有一個檢查井。大量的檢查井構成了城市里隨處可見的井蓋群。然而井蓋的破損及丟失會帶來嚴重的安全隱患：如汽車陷入檢查井，路人落井等［1］，給我們的人身安全和財產(chǎn)安全帶來了嚴重的威脅。為了減少災難性事故的發(fā)生，目前我國許多城市對城市道路井蓋的安全管理仍采用專人進行定期的維護和巡查的方法。這種方法不能及時發(fā)現(xiàn)井蓋存在的問題以便第一時間采取措施避免災難性事故的發(fā)生，所以井蓋安全的有效管理成了城市管理的重大難題。

針對以上問題，本文介紹了一種基于ZigBee和GPRS的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用放置在井蓋下方的傳感器節(jié)點實時采集井蓋的狀態(tài)信息，同時將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后通過GPRS模塊遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,實現(xiàn)城市道路井蓋安全狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而提高了城市道路井蓋安全管理的實時性和便捷性。

1系統(tǒng)總體方案設計

1.1系統(tǒng)總體構成

城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由采集井蓋狀態(tài)信息的傳感器節(jié)點、收集及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)關節(jié)點和上位機監(jiān)控中心三個部分構成。整個監(jiān)測系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

1.2總體方案概述

由于井蓋的分布范圍較廣，為了能夠監(jiān)測每一個井蓋的安全狀態(tài)信息，我們把城市道路的井蓋覆蓋區(qū)域劃分為多個小區(qū)域，然后在每一個小區(qū)域組建一個獨立的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡。

處于不同的ZigBee網(wǎng)絡的ZigBee模塊之間是不能相互通信的，因為只有網(wǎng)絡內(nèi)部的節(jié)點才可以相互通信與交換數(shù)據(jù)。本文中的ZigBee網(wǎng)絡采用Mesh網(wǎng)狀結(jié)構，由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個終端節(jié)點組成。傳感器節(jié)點布置在每個小區(qū)域的每個井蓋下方，負責采集城市道路井蓋安全狀態(tài)信息，同時每個傳感器節(jié)點又是路由節(jié)點，數(shù)據(jù)沿著路由器節(jié)點進行傳輸，最后傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊構成網(wǎng)關節(jié)點，其主要負責ZigBee網(wǎng)絡的構建和數(shù)據(jù)的遠程傳輸。網(wǎng)關節(jié)點接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口傳給GPRS模塊，借助于GPRS的通信網(wǎng)絡將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h端監(jiān)測中心。

監(jiān)測中心在VisualC++6.0的平臺上，采用面向TCP/IP協(xié)議的Socket通訊機制進行程序編寫，實現(xiàn)監(jiān)測中心和網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，實時接收網(wǎng)關節(jié)點傳送過來的井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時將故障井蓋的數(shù)據(jù)信息顯示出來并產(chǎn)生報警信息以便及時采取補救措施，實現(xiàn)城市道路井蓋的實時監(jiān)測與管理。

2ZigBee技術及WSN的優(yōu)勢

ZigBee技術是一種近距離、復雜度較低、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術標準，符合IEEE802.15.4協(xié)議標準，在無數(shù)個傳感器節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)以達到相互通信的目的，同時這些節(jié)點所消耗的能量較低但其通信效率極高。利用ZigBee技術能夠構建無線傳感器網(wǎng)絡，在其構建的網(wǎng)絡內(nèi)ZigBee的傳輸距離可以達到幾百米。ZigBee協(xié)議是由IEEE802.15.4較低層次的物理層及MAC層與ZigBee的網(wǎng)絡層和應用支持子層所構成。在無線傳感器網(wǎng)絡中，根據(jù)節(jié)點的功能可以劃分為終端設備(Enddevice)、路由器(Router)、協(xié)調(diào)器(Coordinator)?

無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork)是一組傳感器以Ad-Hoc方式構成網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中存在的許多個傳感器節(jié)點協(xié)調(diào)工作采集并處理無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域中的被實時監(jiān)測的對象目標的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee構建的無線傳感器網(wǎng)絡以多跳接力的方式傳送到遠端監(jiān)測中心，使監(jiān)測人員能夠?qū)崟r準確地獲取被測對象的數(shù)據(jù)信息。與其它無線網(wǎng)絡相比其具有如下的特點:

低功耗：由于ZigBee的傳輸速度比較低，而且能夠采用休眠模式，因此ZigBee設備可以節(jié)省耗電量。由于其可以定時休眠與工作，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的正常使用時間，解決了基本的低功耗問題。

成本低：ZigBee的協(xié)議棧是可以通過免費下載得到的，所以產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本也相對的降低，低成本在ZigBee產(chǎn)品的開發(fā)中也是一個重要因素。

時延短：通信時延和休眠狀態(tài)到喚醒激活狀態(tài)的時間都是非常短的，節(jié)點從休眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)只要15ms的時間，所有的傳感器節(jié)點加入到ZigBee網(wǎng)絡中也只需要大約30ms的時間。

網(wǎng)絡容量大：一個星型結(jié)構的Zigbee網(wǎng)絡可以容納254個從設備和1個主設備，1個區(qū)域內(nèi)可同時允許存在100個ZigBee網(wǎng)絡，并且其網(wǎng)絡組成比較靈活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略，同時為了以后的發(fā)展需要還留了專用的信道，能夠有效避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，若傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

3監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn)

3.1傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點主要用來采集井蓋下方的光線亮度值、漏光強度值及井蓋的傾斜角度值，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點或?qū)⑾噜徆?jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡［8］的基本單元，節(jié)點設計的合理與否直接影響到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。傳感器節(jié)點硬件主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電源管理單元和傳感器模塊組成，各個模塊相互協(xié)作完成周圍環(huán)境信息的采集和傳輸。從節(jié)能和系統(tǒng)集成的角度考慮，該監(jiān)測系統(tǒng)使用微處理器和CC2530無線通信模塊為硬件核心來完成傳感器節(jié)點環(huán)境信息的采集和信息到網(wǎng)關節(jié)點的傳輸。傳感器模塊采用亮度傳感器、光強傳感器和傾角傳感器分別采集井下的光照強度和光線亮度以及井蓋的傾斜程度。傳感器節(jié)點框圖如圖2所示。

CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結(jié)合了領先的RF收發(fā)器由于CC2530內(nèi)部集成了處理器和RF前端電路，所以非常適合構建小型化的傳感器節(jié)點，實現(xiàn)了真正的單芯片片上解決方案。采集井蓋狀態(tài)信息的傳感器分別使用亮度傳感器、光照強度傳感器BH1750和傾角傳感器ADXL345。傳感器節(jié)點上電運行后，會依次采集井蓋下方的光量值和光強值以及井蓋的傾斜角度值，并通過天線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計

網(wǎng)關節(jié)點(協(xié)調(diào)器節(jié)點)的主要功能就是接收傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端的監(jiān)測中心。網(wǎng)關節(jié)點一方面和ZigBee網(wǎng)絡連接，另一方面通過GPRS模塊與Internet外部網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)兩種協(xié)議的直接轉(zhuǎn)換，把收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡連接的監(jiān)測中心。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由集成了8051內(nèi)核的CC2530模塊和GPRS模塊等部分組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點框圖如圖3所示。

在網(wǎng)關節(jié)點中ZigBee模塊主要負責構建ZigBee網(wǎng)絡,管理加入其網(wǎng)絡的各個子節(jié)點，接收各個子節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。CC2530模塊通過標準串口直接與GPRS模塊連接,向GPRS模塊發(fā)送標準的AT命令實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡的注冊及與Internet的連接，獲得IP地址后便能夠與遠程監(jiān)測中心相互通信，這樣便能實現(xiàn)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的遠程傳輸。所以，網(wǎng)關節(jié)點是上位機客戶端和井蓋監(jiān)測現(xiàn)場聯(lián)系的樞紐，在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中起著重要的中轉(zhuǎn)作用。

4系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件的開發(fā)設計。上位機監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用面向TCP/IP協(xié)議的Socket通訊機制[12]，結(jié)合SQLSever2000數(shù)據(jù)庫，采用VC++編寫，主要實現(xiàn)井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的接收、顯示，同時將接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中以便察看。下位機軟件主要實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊的數(shù)據(jù)通信。

4.1監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡接收協(xié)調(diào)器發(fā)過來的井蓋狀態(tài)信息，并將井蓋編號和井蓋的位置以及井蓋的漏光值和傾斜角度值保存到數(shù)據(jù)庫以便工作人員實時查詢井蓋的狀態(tài)信息。同時借助于監(jiān)測系統(tǒng)軟件設定井蓋閾值，當接收到的數(shù)據(jù)超過設定的閾值后，會產(chǎn)生相關故障井蓋的報警信息并將故障井蓋的編號以及井蓋的數(shù)據(jù)信息顯示出來。監(jiān)測中心人員看到監(jiān)測軟件的報警信息后及時通知井蓋所屬單位和管理人員及時的排除井蓋的安全隱患。監(jiān)測中心上位機實現(xiàn)結(jié)果,見圖4。

圖4監(jiān)測中心界面

4.2傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

對于監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點采用了IAR開發(fā)環(huán)境進行程序的開發(fā)，程序主要實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的定時采集和定時發(fā)送。傳感器節(jié)點軟件設計流程圖如圖5所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責ZigBee網(wǎng)絡的構建與管理，并將終端節(jié)點發(fā)送來的井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)通過GPRS模塊遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。協(xié)調(diào)器傳節(jié)點的軟件設計流程圖如圖6所示。

5結(jié)語

本文提出的基于ZigBee技術的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)較好地滿足了實時監(jiān)測城市道路井蓋安全狀態(tài)的要求，保證了井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的實時性、完整性和可靠性。實踐證明,基于WSN的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)井蓋安全管理模式中不能及時發(fā)現(xiàn)安全隱患的缺點。該監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠排除城市道路井蓋安全隱患，保障路人的生命和財產(chǎn)安全，還提高了城市道路井蓋安全管理的水平和效率，真正實現(xiàn)了城市道路井蓋的智能化管理。

20211223_61c438ee07ab8__基于ZigBee的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)設計