0 引 言
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及城市數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快，城市的設(shè)施建設(shè)也是越來(lái)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(duì)其進(jìn)行檢查和維修，所以每隔一定的距離就設(shè)有一個(gè)檢查井。大量的檢查井構(gòu)成了城市里隨處可見(jiàn)的井蓋群。然而井蓋的破損及丟失會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患：如汽車(chē)陷入檢查井，路人落井等，給我們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。為了減少災(zāi)難性事故的發(fā)生，目前我國(guó)許多城市對(duì)城市道路井蓋的安全管理仍采用專(zhuān)人進(jìn)行定期的維護(hù)和巡查的方法。這種方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井蓋存在的問(wèn)題以便第一時(shí)間采取措施避免災(zāi)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(duì)以上問(wèn)題，本文介紹了一種基于ZigBee無(wú)線模塊和GPRS 的城市道路井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用放置在井蓋下方的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集井蓋的狀態(tài)信息，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)GPRS 模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)城市道路井蓋安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高了城市道路井蓋安全管理的實(shí)時(shí)性和便捷性。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成城市道路井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由采集井蓋狀態(tài)信息的傳感器節(jié)點(diǎn)、收集及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控中心三個(gè)部分構(gòu)成。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
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(cè)每一個(gè)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(gè)小區(qū)域，然后在每一個(gè)小區(qū)域組建一個(gè)獨(dú)立的ZigBee無(wú)線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)。處于不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無(wú)線模塊之間是不能相互通信的，因?yàn)橹挥芯W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)才可以相互通信與交換數(shù)據(jù)。
本文中的ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)采用Mesh 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)布置在每個(gè)小區(qū)域的每個(gè)井蓋下方，負(fù)責(zé)采集城市道路井蓋安全狀態(tài)信息，同時(shí)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)又是路由節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)沿著路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，最后傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。
ZigBee數(shù)傳協(xié)調(diào)器和GPRS 模塊構(gòu)成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其主要負(fù)責(zé)ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給GPRS 模塊，借助于GPRS 的通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)測(cè)中心。
監(jiān)測(cè)中心在Visual C++ 6.0 的平臺(tái)上，采用面向TCP/IP協(xié)議的Socket 通訊機(jī)制進(jìn)行程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)將故障井蓋的數(shù)據(jù)信息顯示出來(lái)并產(chǎn)生報(bào)警信息以便及時(shí)采取補(bǔ)救措施，實(shí)現(xiàn)城市道路井蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。
2 ZigBee技術(shù)及WSN 的優(yōu)勢(shì)
ZigBee數(shù)傳技術(shù)是一種近距離、復(fù)雜度較低、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，符合IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)數(shù)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)以達(dá)到相互通信的目的，同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)所消耗的能量較低但其通信效率極高。利用ZigBee技術(shù)能夠構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在其構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ZigBee數(shù)傳模塊的傳輸距離可以達(dá)到幾百米。ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4 較低層次的物理層及MAC 層與ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層所構(gòu)成。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能可以劃分為終端設(shè)備（Enddevice）、路由器（Router）、協(xié)調(diào)器（Coordinator）。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是一組傳感器以Ad-Hoc 方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中存在的許多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作采集并處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的對(duì)象目標(biāo)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以多跳接力的方式傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)中心，使監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息。與其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比其具有如下的特點(diǎn)：
（1） 低功耗： 由于ZigBee無(wú)線模塊的傳輸速度比較低 ，而且能夠采用休眠模式，因此ZigBee設(shè)備可以節(jié)省耗電量。由于其可以定時(shí)休眠與工作，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的正常使用時(shí)間，解決了基本的低功耗問(wèn)題。
（2） 成本低： ZigBee的協(xié)議棧是可以通過(guò)免費(fèi)下載得到的，所以產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本也相對(duì)的降低，低成本在ZigBee產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中也是一個(gè)重要因素。
（3） 時(shí)延短： 通信時(shí)延和休眠狀態(tài)到喚醒激活狀態(tài)的時(shí)間都是非常短的，節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)只要15 ms的時(shí)間，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也只需要大約30 ms 的時(shí)間。
（4） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)可以容納254 個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備， 1個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)允許存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且其網(wǎng)絡(luò)組成比較靈活。
（5） 可靠性高： 采取了碰撞避免策略，同時(shí)為了以后的發(fā)展需要還留了專(zhuān)用的信道，能夠有效避開(kāi)發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，若傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。
3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，井蓋下方的光線亮度值、漏光強(qiáng)度值及井蓋的傾斜角度值都將被采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。ZigBee數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
傳感器節(jié)點(diǎn)硬件主要由ZigBee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(gè)模塊相互協(xié)作完成周?chē)h(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(cè)系統(tǒng)使用微處理器和CC2530 無(wú)線通信模塊為硬件核心來(lái)完成傳感器節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息的采集和信息到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸。傳感器模塊采用亮度傳感器、光強(qiáng)傳感器和傾角傳感器分別采集井下的光照強(qiáng)度和光線亮度以及井蓋的傾斜程度。傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖2 所示。
圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)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(gòu)建小型化的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(qiáng)度傳感器BH1750 和傾角傳感器ADXL345。傳感器節(jié)點(diǎn)上電運(yùn)行后，會(huì)依次采集井蓋下方的光量值和光強(qiáng)值以及井蓋的傾斜角度值，并通過(guò)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。
3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）的主要功能就是接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面和ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)連接，另一方面通過(guò)GPRS 模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(luò)連接的監(jiān)測(cè)中心。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)框圖如圖3 所示。
圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件框圖
在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中ZigBee無(wú)線模塊主要負(fù)責(zé)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，管理加入其網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。CC2530 模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口直接與GPRS 模塊連接，向GPRS 模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令實(shí)現(xiàn)GPRS 網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)及與Internet 的連接，獲得IP 地址后便能夠與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心相互通信，這樣便能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。所以，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是上位機(jī)客戶端和井蓋監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系的樞紐，在數(shù)據(jù)信息的傳輸過(guò)程中起著重要的中轉(zhuǎn)作用。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
及實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用面向TCP/IP 協(xié)議的Socket 通訊機(jī)制]，結(jié)合SQL Sever 2000 數(shù)據(jù)庫(kù)，采用VC++ 編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的接收、顯示，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中以便察看。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與GPRS 模塊的數(shù)據(jù)通信。
4.1 監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)中心軟件系統(tǒng)通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)接收協(xié)調(diào)器發(fā)過(guò)來(lái)的井蓋狀態(tài)信息，并將井蓋編號(hào)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(kù)以便工作人員實(shí)時(shí)查詢井蓋的狀態(tài)信息。同時(shí)借助于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)定井蓋閾值，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值后，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)故障井蓋的報(bào)警信息并將故障井蓋的編號(hào)以及井蓋的數(shù)據(jù)信息顯示出來(lái)。監(jiān)測(cè)中心人員看到監(jiān)測(cè)軟件的報(bào)警信息后及時(shí)通知井蓋所屬單位和管理人員及時(shí)的排除井蓋的安全隱患。監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)果，見(jiàn)圖4。
圖4 監(jiān)測(cè)中心界面
4.2 傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)采用了IAR 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)，程序主要實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和定時(shí)發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。
圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與管理，并將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的井蓋狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。協(xié)調(diào)器傳節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。
圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖
5 結(jié) 語(yǔ)
本文提出的基于ZigBee無(wú)線模塊技術(shù)的城市道路井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用光照、傾角傳感器進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集。較好地滿足了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)性、完整性和可靠性。實(shí)踐證明，基于ZigBee數(shù)傳模塊的城市道路井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)井蓋安全管理模式中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患的缺點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)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(cái)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(shí)現(xiàn)了城市道路井蓋的智能化管理。