一種基于ZigBee的分布式井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：隨著我國現代經濟發(fā)展水平的不斷提高，城市井蓋數目逐漸增加。由于較多井蓋被盜，致使路面形成陷阱，危害到過往車輛和行人安全。本文提出了一種基于ZigBee無線網絡的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決分布式布控困難、不能實時監(jiān)控、成本較高的問題。融合GPRS網絡，設計相應的嵌入式網關和Web服務器，實現了對缺失井蓋的精確定位、自動報警功能。

引言

城市道路上的井蓋經常會出現破損或丟失，這樣會在路面上形成陷阱，對過往車輛和行人造成危險。全國特大型城市各類井蓋總數量均在100萬個以上，大型城市在80萬個以上，中型城市在50萬個以上。據統(tǒng)計，一般城市井蓋年被盜數量超過總量的1%左右。井蓋產生的安

全隱患包括：井蓋被盜，通過井蓋入口盜竊地下電線纜，影響供電和通信;由于下水道未按時清淘造成淤積，長時間形成沼氣濃度過高易引發(fā)中毒、爆炸等危險事件。

1 系統(tǒng)概述

圖1為系統(tǒng)工作原理圖，系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網絡、嵌入式網關、GPRS短信模塊、Web服務器，井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術，每個報警器作為ZigBee網絡中的節(jié)點，通過固定的組網方式形成無線傳感網絡。報警器以接力的方式將數據傳到ZigBee網絡的協調器節(jié)點，協調器節(jié)點負責接收所有網絡中的報警器節(jié)點信息。

協調器節(jié)點和嵌入式網關之間交互數據，將ZigBee網絡中的各個報警器節(jié)點信息匯聚傳遞到嵌入式網關，同時將用戶查詢和設置命令下發(fā)給ZigBee網絡。通過采集數據嵌入式網關能夠對各個井蓋報警器狀態(tài)和位置進行顯示和存儲。嵌入式網關同時還起到實時報警和上傳數據到網絡的作用，GPRS模塊主要負責GPRS模塊接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數據庫服務器中，實現報警數據的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構可以通過網絡查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護，并同時發(fā)送短信給檢修人員，實現及時維修和處理。

工作原理：當井蓋被打開后，井蓋報警器上面的紅外感應傳感器感知光線產生報警，將報警信息通過ZigBee網絡傳輸，傳到嵌入式網關中。嵌入式網關處理數據，顯示報警位置，通過GPRS模塊將信息統(tǒng)一發(fā)送至固定IP的服務器上，用戶通過Web服務器中心可以查詢每個井蓋的安全情況。同時，服務器中心通過互聯網將消息發(fā)送給每個附近的維修單位，達到實時安全監(jiān)管的效果。GPRS模塊會將井蓋的位置和情況發(fā)送給周邊的檢修人員，通知檢修人員及時修理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 井蓋報警器節(jié)點

圖2所示為井蓋報警器節(jié)點結構圖，包含ZigBee控制器、蜂鳴器、高亮度LED、氣體傳感器、光敏傳感器。

其中，負責組成網絡的ZigBee控制器采用TI公司生產的針對IEEE 802.15.4應用的片上系統(tǒng)CC2530，內部集成了工作在2.4 GHz的射頻發(fā)射器和低功耗的8051MCU內核。

井蓋報警器節(jié)點的原理為：通過嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統(tǒng)供電，通過傳感器檢測井蓋安全狀況。當井蓋被盜時，光敏傳感器感知光線并將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中;當沼氣濃度過高時，氣體傳感器感知濃度，將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中。

2.2 嵌入式網關

嵌入式網關采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達到667 MHz。陔網關具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴展設計了一個ZigBee網關，采用Linux操作系統(tǒng)，移植TCP/IP協議，將網絡故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項目中的網關很好地克服了傳統(tǒng)網關架構下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協議轉換過程中的資源和處理時間消耗。該網關設計思路新穎，具有較強的實用性。界面簡單易操作，通信效果良好，能夠通過網絡遠程監(jiān)測井蓋安全的實時變化，為市政提供了有效、及時的信息。

2.3 Web服務器

利用PC機建立Web服務器，對無線傳感網絡中的數據進行存儲和顯示，同時通過網絡連接至政府部門，方便各個單位查詢井蓋情況。在服務器設計中，前端采用ASP.NET開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET操作數據庫。每個報警器節(jié)點數據傳輸過來到服務器后，服務器通過SQL數據庫進行接收、處理和存儲。主要信息包含：井蓋節(jié)點位置信息、安全狀況信息、實時監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息。Web服務器根據設計功能需求，主要分為登陸界面、井蓋分布位置界面、井蓋安全狀況界面、歷史數據等界面。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

3.1.1 ZigBee模塊

ZigBee網絡中模塊有三種類型：協調器、路由器和終端節(jié)點。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協議，集成了RF和8051 MCU內核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達到100 m，具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。

3.1.2 光敏傳感器

光敏傳感器采用光敏二極管，光敏二極管響應范圍適用于可見光范圍，紅外光全截止，頻譜范圍近似人眼。通過ZigBee控制器的A/D模塊采集光敏二極管上面的光線強度，當井蓋損壞或被盜后，光敏二極管檢測光線發(fā)生變化從而報警。氣體傳感器采用MH-440V/D紅外氣體傳感器，通過測定氣體成分的吸光度，就能測定氣體成分的濃度，氣體傳感器主要負責檢測下水道沼氣是否超標。

3.1.3 GPRS模塊

GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設備采用高性能處理器，內嵌TCP/IP協議棧，保證數據可靠傳輸。GPRS模塊主要負責接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息，并通過GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數據庫服務器中，實現報警數據的上傳。同時，發(fā)送短信給維修人員，實現及時維修和處理。