引言

隨著社會的不斷發(fā)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［1］，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(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，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，同時將采集到的數據信息傳送到協調器節(jié)點，然后通過GPRS模塊遠程傳輸到監(jiān)測中心,實現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系統總體方案設計

1.1系統總體構成

城市道路井蓋安全監(jiān)測系統主要由采集井蓋狀態(tài)信息的傳感器節(jié)點、收集及轉發(fā)數據的網關節(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無線傳感器網絡。

處于不同的ZigBee網絡的ZigBee模塊之間是不能相互通信的，因為只有網絡內部的節(jié)點才可以相互通信與交換數據。本文中的ZigBee網絡采用Mesh網狀結構，由一個協調器節(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，數據沿著路由器節(jié)點進行傳輸，最后傳給協調器節(jié)點。

ZigBee協調器和GPRS模塊構成網關節(jié)點，其主要負責ZigBee網絡的構建和數據的遠程傳輸。網關節(jié)點接收傳感器節(jié)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(jié)點采集到的數據信息傳輸到遠端監(jiān)測中心。

監(jiān)測中心在VisualC++6.0的平臺上，采用面向TCP/IP協議的Socket通訊機制進行程序編寫，實現監(jiān)測中心和網關節(jié)點的數據通信，實時接收網關節(jié)點傳送過來的井蓋狀態(tài)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(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協議標準，在無數個傳感器節(jié)點之間相互協調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絡，在其構建的網絡內ZigBee的傳輸距離可以達到幾百米。ZigBee協議是由IEEE802.15.4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(jié)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(WirelessSensorNetwork)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(jié)點協調工作采集并處理無線傳感器網絡區(qū)域中的被實時監(jiān)測的對象目標的數據及狀態(tài)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(jiān)測中心，使監(jiān)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:

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的協議棧是可以通過免費下載得到的，所以產品的開發(fā)和生產成本也相對的降低，低成本在ZigBee產品的開發(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網絡中也只需要大約30ms的時間。

網絡容量大：一個星型結構的Zigbee網絡可以容納254個從設備和1個主設備，1個區(qū)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。

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(fā)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(fā)。

3監(jiān)測系統硬件設計及實現

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，并將采集的數據發(fā)送給相鄰節(jié)點或將相鄰節(jié)點發(fā)過來的數據轉發(fā)到協調器節(jié)點。傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡［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功能的實現。傳感器節(jié)點硬件主要由數據采集單元、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(huán)境信息的采集和傳輸。從節(jié)能和系統集成的角度考慮，該監(jiān)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(jié)點環(huán)境信息的采集和信息到網關節(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(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(jié)點。CC2530結合了領先的RF收發(fā)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(jié)點，實現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，并通過天線進行數據的發(fā)送。

3.2協調器節(jié)點硬件設計

網關節(jié)點(協調器節(jié)點)的主要功能就是接收傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數據，然后將數據傳輸到遠端的監(jiān)測中心。網關節(jié)點一方面和ZigBee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(fā)送到與Internet網絡連接的監(jiān)測中心。協調器節(jié)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(jié)點框圖如圖3所示。

在網關節(jié)點中ZigBee模塊主要負責構建ZigBee網絡,管理加入其網絡的各個子節(jié)點，接收各個子節(jié)點發(fā)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(fā)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(jiān)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(jié)點是上位機客戶端和井蓋監(jiān)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(fā)設計。上位機監(jiān)測系統軟件采用面向TCP/IP協議的Socket通訊機制[12]，結合SQLSever2000數據庫，采用VC++編寫，主要實現井蓋狀態(tài)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(jié)點的數據采集及發(fā)送，GPRS模塊的數據收發(fā)以及協調器節(jié)點與GPRS模塊的數據通信。

4.1監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心軟件系統通過GPRS網絡接收協調器發(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據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(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)測中心上位機實現結果,見圖4。

圖4監(jiān)測中心界面

4.2傳感器及協調器節(jié)點軟件設計

對于監(jiān)測系統中的傳感器節(jié)點采用了IAR開發(fā)環(huán)境進行程序的開發(fā)，程序主要實現了傳感器數據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。

協調器節(jié)點主要負責ZigBee網絡的構建與管理，并將終端節(jié)點發(fā)送來的井蓋狀態(tài)數據通過GPRS模塊遠程傳輸到監(jiān)測中心。協調器傳節(jié)點的軟件設計流程圖如圖6所示。

5結語

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)數據信息的實時性、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，克服了傳統井蓋安全管理模式中不能及時發(fā)現安全隱患的缺點。該監(jiān)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。

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