一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　城市道路上的井蓋經(jīng)常會出現(xiàn)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(shù)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(jù)統(tǒng)計，一般城市井蓋年被盜數(shù)量超過總量的1%左右。井蓋產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務(wù)器，井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術(shù)，每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有網(wǎng)絡(luò)中的報警器節(jié)點(diǎn)信息。

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)之間交互數(shù)據(jù)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個報警器節(jié)點(diǎn)信息匯聚傳遞到嵌入式網(wǎng)關(guān)，同時將用戶查詢和設(shè)置命令下發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過采集數(shù)據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鱾€井蓋報警器狀態(tài)和位置進(jìn)行顯示和存儲。嵌入式網(wǎng)關(guān)同時還起到實(shí)時報警和上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)的作用，GPRS模塊主要負(fù)責(zé)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(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設(shè)施管理處以及自來水廠等政府機(jī)構(gòu)可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護(hù)，并同時發(fā)送短信給檢修人員，實(shí)現(xiàn)及時維修和處理。

　　工作原理：當(dāng)井蓋被打開后，井蓋報警器上面的紅外感應(yīng)傳感器感知光線產(chǎn)生報警，將報警信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)中。嵌入式網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)，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(wù)器上，用戶通過Web服務(wù)器中心可以查詢每個井蓋的安全情況。同時，服務(wù)器中心通過互聯(lián)網(wǎng)將消息發(fā)送給每個附近的維修單位，達(dá)到實(shí)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(diǎn)

　　圖2所示為井蓋報警器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)組成網(wǎng)絡(luò)的ZigBee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2530，內(nèi)部集成了工作在2.4 GHz的射頻發(fā)射器和低功耗的8051MCU內(nèi)核。

　　井蓋報警器節(jié)點(diǎn)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(dāng)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?shù)洁徑腪igBee路由器中;當(dāng)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?shù)洁徑腪igBee路由器中。

　　2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

　　嵌入式網(wǎng)關(guān)采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達(dá)到667 MHz。陔網(wǎng)關(guān)具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴(kuò)展設(shè)計了一個ZigBee網(wǎng)關(guān)，采用Linux操作系統(tǒng)，移植TCP/IP協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項(xiàng)目中的網(wǎng)關(guān)很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中的資源和處理時間消耗。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計思路新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。界面簡單易操作，通信效果良好，能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測井蓋安全的實(shí)時變化，為市政提供了有效、及時的信息。

　　2.3 Web服務(wù)器

　　利用PC機(jī)建立Web服務(wù)器，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示，同時通過網(wǎng)絡(luò)連接至政府部門，方便各個單位查詢井蓋情況。在服務(wù)器設(shè)計中，前端采用ASP.NET開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET操作數(shù)據(jù)庫。每個報警器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過來到服務(wù)器后，服務(wù)器通過SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行接收、處理和存儲。主要信息包含：井蓋節(jié)點(diǎn)位置信息、安全狀況信息、實(shí)時監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息。Web服務(wù)器根據(jù)設(shè)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(shù)據(jù)等界面。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1.1 ZigBee模塊

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中模塊有三種類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協(xié)議，集成了RF和8051 MCU內(nèi)核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達(dá)到100 m，具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度，當(dāng)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(fù)責(zé)檢測下水道沼氣是否超標(biāo)。

　　3.1.3 GPRS模塊

　　GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設(shè)備采用高性能處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。GPRS模塊主要負(fù)責(zé)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(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。同時，發(fā)送短信給維修人員，實(shí)現(xiàn)及時維修和處理。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.2.1 系統(tǒng)工作流程

　　ZigBee井蓋報警系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。ZigBee井蓋報警器正常工作狀態(tài)時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)光線和氣體檢測超出告警閾值時，喚醒ZigBee控制器，讀取井蓋基本信息并進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)中鄰近的節(jié)點(diǎn)，最后傳輸給嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。嵌入式網(wǎng)關(guān)控制GPRS模塊將信息發(fā)送給Web服務(wù)器，同時發(fā)送報警短信給維修人員，Web服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫將信息存儲。

　　3.2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TI公司的Z-STACK，協(xié)議棧為ZigBee 2007。ZigBee 2007是ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的一種低成本、極低功耗的雙向無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是TI公司專門為CC2530芯片設(shè)計的協(xié)議棧。本系統(tǒng)協(xié)議設(shè)備以協(xié)調(diào)器和路由器為主，軟件設(shè)計主要包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件和路由器節(jié)點(diǎn)軟件。

　　ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖4所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)啟動時會進(jìn)行設(shè)備初始化，通過協(xié)調(diào)器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)唯一的PAN ID，設(shè)置協(xié)調(diào)器的地址。進(jìn)入信道掃描階段，判斷現(xiàn)在是否有相同PAN ID的網(wǎng)絡(luò)，如果存在的話就選擇現(xiàn)有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求。如果不存在網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器在信道掃描成功后會排列信道，并選擇出最優(yōu)通道，確定網(wǎng)絡(luò)ID，建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立好以后，協(xié)調(diào)器會進(jìn)入無線偵聽的階段，如果有新設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會按順序給其分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果有串口數(shù)據(jù)接收，協(xié)調(diào)器會進(jìn)入處理串口數(shù)據(jù)的階段，主要負(fù)責(zé)嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制命令。

　　3.2.3 ZigBee路由器

　　報警系統(tǒng)中的井蓋報警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，主要負(fù)責(zé)報警數(shù)據(jù)采集和中繼傳輸。通過配置CC2530的ADC控制器開始數(shù)據(jù)的采集，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的速率和讀取數(shù)據(jù)時間間隔。路由器的軟件流程圖如圖5所示，路由器節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行軟硬件的初始化，掃描網(wǎng)絡(luò)是否存在，選擇符合的PAN ID網(wǎng)絡(luò)加入，成為網(wǎng)絡(luò)中的子結(jié)點(diǎn)。

　　路由器加入網(wǎng)絡(luò)后處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有告警中斷產(chǎn)生時，喚醒CPU并進(jìn)入中斷處理函數(shù)，中斷處理主要包含對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，將報警器的傳感器數(shù)據(jù)采集打包發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)中，完成后退出中斷進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　結(jié)語

　　本文基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井蓋報警器的分布式布控，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控和主動預(yù)警。結(jié)合GPRS無線通信的特點(diǎn)和優(yōu)勢，設(shè)計了與互聯(lián)網(wǎng)融合的智能報警系統(tǒng)。通過Web服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)對城市井蓋的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)庫完成了數(shù)量龐大的井蓋信息存儲。該系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、低功耗、傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，達(dá)到了井蓋防盜的自動化，讓井蓋丟失帶來的各種隱患問題得以解決，在井蓋防盜領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。