0 引 言
隨著社會的不斷發展及城市數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，給我們的人身安全和財產安全帶來了嚴重的威脅。為了減少災難性事故的發生，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現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無線模塊和GPRS 的城市道路井蓋安全監測系統，利用放置在井蓋下方的傳感器節點實時采集井蓋的狀態信息，同時將采集到的數據信息傳送到協調器節點，然后通過GPRS 模塊遠程傳輸到監測中心，實現城市道路井蓋安全狀態的實時監測，從而提高了城市道路井蓋安全管理的實時性和便捷性。
1 系統總體方案設計
1.1 系統總體構成城市道路井蓋安全監測系統主要由采集井蓋狀態信息的傳感器節點、收集及轉發數據的網關節點和上位機監控中心三個部分構成。整個監測系統的框圖如圖1 所示。
圖1 系統總體結構圖
1.2 總體方案概述
由于井蓋的分布范圍較廣，為了能夠監測每一個井蓋的安全狀態信息，我們把城市道路的井蓋覆蓋區域劃分為多個小區域，然后在每一個小區域組建一個獨立的ZigBee無線模塊傳感器網絡。處于不同的ZigBee網絡的ZigBee無線模塊之間是不能相互通信的，因為只有網絡內部的節點才可以相互通信與交換數據。
本文中的ZigBee數傳網絡采用Mesh 網狀結構，由一個協調器節點和多個終端節點組成。傳感器節點布置在每個小區域的每個井蓋下方，負責采集城市道路井蓋安全狀態信息，同時每個傳感器節點又是路由節點，數據沿著路由器節點進行傳輸，最后傳給協調器節點。
ZigBee數傳協調器和GPRS 模塊構成網關節點，其主要負責ZigBee數傳模塊網絡的構建和數據的遠程傳輸。網關節點接收傳感器節點的數據通過串口傳給GPRS 模塊，借助于GPRS 的通信網絡將傳感器節點采集到的數據信息傳輸到遠端監測中心。
監測中心在Visual C++ 6.0 的平臺上，采用面向TCP/IP協議的Socket 通訊機制進行程序編寫，實現監測中心和網關節點的數據通信，實時接收網關節點傳送過來的井蓋狀態信息數據，同時將故障井蓋的數據信息顯示出來并產生報警信息以便及時采取補救措施，實現城市道路井蓋的實時監測與管理。
2 ZigBee技術及WSN 的優勢
ZigBee數傳技術是一種近距離、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IEEE 802.15.4協議標準，在無數個傳感器節點之間相互協調以達到相互通信的目的，同時這些節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絡，在其構建的網絡內ZigBee數傳模塊的傳輸距離可以達到幾百米。ZigBee協議是由IEEE 802.15.4 較低層次的物理層及MAC 層與ZigBee的網絡層和應用支持子層所構成。在無線傳感器網絡中，根據節點的功能可以劃分為終端設備（Enddevice）、路由器（Router）、協調器（Coordinator）。
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是一組傳感器以Ad-Hoc 方式構成網絡，網絡中存在的許多個傳感器節點協調工作采集并處理無線傳感器網絡區域中的被實時監測的對象目標的數據及狀態信息，采集到的數據信息通過ZigBee構建的無線傳感器網絡以多跳接力的方式傳送到遠端監測中心，使監測人員能夠實時準確地獲取被測對象的數據信息。與其它無線網絡相比其具有如下的特點：
（1） 低功耗： 由于ZigBee無線模塊的傳輸速度比較低 ，而且能夠采用休眠模式，因此ZigBee設備可以節省耗電量。由于其可以定時休眠與工作，ZigBee設備僅靠兩節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。
（2） 成本低： ZigBee的協議棧是可以通過免費下載得到的，所以產品的開發和生產成本也相對的降低，低成本在ZigBee產品的開發中也是一個重要因素。
（3） 時延短： 通信時延和休眠狀態到喚醒激活狀態的時間都是非常短的，節點從休眠狀態切換到工作狀態只要15 ms的時間，所有的傳感器節點加入到ZigBee網絡中也只需要大約30 ms 的時間。
（4） 網絡容量大： 一個星型結構的ZigBee數傳網絡可以容納254 個從設備和1個主設備， 1個區域內可同時允許存在100個ZigBee網絡，并且其網絡組成比較靈活。
（5） 可靠性高： 采取了碰撞避免策略，同時為了以后的發展需要還留了專用的信道，能夠有效避開發送數據的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數據傳輸模式， 每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，若傳輸過程中出現問題可以進行重發。
3 監測系統硬件設計及實現
3.1 傳感器節點硬件設計
傳感器節點主要用來進行ZigBee數據采集，井蓋下方的光線亮度值、漏光強度值及井蓋的傾斜角度值都將被采集，并將采集的數據發送給相鄰點或將相鄰節點發過來的數據轉發到協調器節點。ZigBee數據采集傳感器節點是無線傳感器網絡的基本單元，節點設計的合理與否直接影響到整個系統功能的實現。
傳感器節點硬件主要由ZigBee數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、電源管理單元和傳感器模塊組成，各個模塊相互協作完成周圍環境信息的采集和傳輸。從節能和系統集成的角度考慮，該監測系統使用微處理器和CC2530 無線通信模塊為硬件核心來完成傳感器節點環境信息的采集和信息到網關節點的傳輸。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。傳感器節點框圖如圖2 所示。
圖2 傳感器節點硬件結構
CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（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絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器由于CC2530 內部集成了處理器和RF前端電路，所以非常適合構建小型化的傳感器節點，實現了真正的單芯片片上解決方案。采集井蓋狀態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，并通過天線進行數據的發送。
3.2 協調器節點硬件設計
網關節點（協調器節點）的主要功能就是接收傳感器節點發送過來的數據，然后將數據傳輸到遠端的監測中心。網關節點一方面和ZigBee數傳網絡連接，另一方面通過GPRS 模塊與Internet外部網絡連接，實現兩種協議的直接轉換，把收集的數據發送到與Internet 網絡連接的監測中心。協調器節點主要由集成了8051 內核的CC2530 模塊和GPRS 模塊等部分組成，協調器節點框圖如圖3 所示。
圖3 協調器節點硬件框圖
在網關節點中ZigBee無線模塊主要負責構建ZigBee網絡，管理加入其網絡的各個子節點，接收各個子節點發送過來的數據信息。CC2530 模塊通過標準串口直接與GPRS 模塊連接，向GPRS 模塊發送標準的AT 命令實現GPRS 網絡的注冊及與Internet 的連接，獲得IP 地址后便能夠與遠程監測中心相互通信，這樣便能實現協調器數據的遠程傳輸。所以，網關節點是上位機客戶端和井蓋監測現場聯系的樞紐，在數據信息的傳輸過程中起著重要的中轉作用。
4 系統軟件設計
及實現軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件的開發設計。上位機監測系統軟件采用面向TCP/IP 協議的Socket 通訊機制]，結合SQL Sever 2000 數據庫，采用VC++ 編寫，主要實現井蓋狀態信息數據的接收、顯示，同時將接收到的數據保存到數據庫中以便察看。下位機軟件主要實現傳感器節點的數據采集及發送，GPRS 模塊的數據收發以及協調器節點與GPRS 模塊的數據通信。
4.1 監測中心軟件設計
監測中心軟件系統通過GPRS 網絡接收協調器發過來的井蓋狀態信息，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據庫以便工作人員實時查詢井蓋的狀態信息。同時借助于監測系統軟件設定井蓋閾值，當接收到的數據超過設定的閾值后，會產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據信息顯示出來。監測中心人員看到監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。監測中心上位機實現結果，見圖4。
圖4 監測中心界面
4.2 傳感器及協調器節點軟件設計
對于監測系統中的傳感器節點采用了IAR 開發環境進行程序的開發，程序主要實現了傳感器數據的定時采集和定時發送。傳感器節點軟件設計流程圖如圖5 所示。
圖5 傳感器節點流程圖
協調器節點主要負責ZigBee數傳網絡的構建與管理，并將終端節點發送來的井蓋狀態數據通過GPRS 模塊遠程傳輸到監測中心。協調器傳節點的軟件設計流程圖如圖6 所示。
圖6 協調器節點流程圖
5 結 語
本文提出的基于ZigBee無線模塊技術的城市道路井蓋安全監測系統，利用光照、傾角傳感器進行ZigBee數據采集。較好地滿足了實時監測城市道路井蓋安全狀態的要求，保證了井蓋狀態數據信息的實時性、完整性和可靠性。實踐證明，基于ZigBee數傳模塊的城市道路井蓋安全監測系統，克服了傳統井蓋安全管理模式中不能及時發現安全隱患的缺點。該監測系統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，真正實現了城市道路井蓋的智能化管理。