ZigBee技術(shù)在城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

，，

（1.安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455002；2.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

1 引言

城市管網(wǎng)是一個(gè)城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。然而它所具有的隱蔽性、復(fù)雜性以及分布的廣泛性等特點(diǎn)導(dǎo)致了管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況難以測(cè)量和集中監(jiān)控。因而一旦事故發(fā)生，調(diào)度人員無法及時(shí)制定合理有效的搶修方案。目前我國(guó)許多城市對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集仍采用專人定期定點(diǎn)巡檢和抄錄，定期向其所屬的調(diào)度中心報(bào)告運(yùn)行數(shù)據(jù)的方法。這種方法收集的信息數(shù)據(jù)量少、速度緩慢，調(diào)度部門無法實(shí)時(shí)獲取管網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，影響了管網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊節(jié)點(diǎn)綁定，增大傳感器節(jié)點(diǎn)的布置密度，從而提高管網(wǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、全面性和精確性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：上位機(jī)監(jiān)控中心、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由于城市管網(wǎng)分布范圍廣，空間跨度大，為了能夠系統(tǒng)而全面地監(jiān)測(cè)整個(gè)管網(wǎng)內(nèi)介質(zhì)的壓力和流量參數(shù)，我們將整個(gè)城市的管網(wǎng)系統(tǒng)劃分為多個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立，互不通信，只有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以相互交換數(shù)據(jù)。每個(gè)獨(dú)立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)都采用Mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在城市管網(wǎng)的管線上，負(fù)責(zé)采集管線內(nèi)自來水、燃?xì)夂驼羝膲毫傲髁繀?shù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是路由節(jié)點(diǎn)，可以自由連接通信，數(shù)據(jù)沿著這些傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)多跳路由后到達(dá)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊綁定，負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，將其進(jìn)行融合處理后傳給GPRS模塊，由GPRS模塊經(jīng)由GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。控制中心通過Internet網(wǎng)絡(luò)獲取現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低復(fù)雜度、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種雙向傳輸?shù)臒o線通信標(biāo)準(zhǔn)。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在成百上千個(gè)微小的傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它的通信效率很高。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，ZigBee具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層所組成?；赯igBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按功能可分為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）、路由器（router）、終端設(shè)備（end device）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor network）是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中大量的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息可由自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼的方式傳送到監(jiān)控中心，使監(jiān)測(cè)者能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的詳細(xì)信息?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

1）通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。ZigBee采用了MAC層完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，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，通信可靠性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES－128；

2）設(shè)備省電，功耗極低。ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可確保2節(jié)普通電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2a左右的使用時(shí)間；

3）時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時(shí)延在15～30ms之間，非常適合實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用；

4）成本低廉，網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，可有效降低設(shè)備成本；網(wǎng)絡(luò)容量龐大，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)多達(dá)65 536個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 ZigBee無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。其主要作用是對(duì)自來水、燃?xì)?、蒸汽流量和壓力信?hào)的采集和處理，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或更靠近網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元組成。從節(jié)能和系統(tǒng)集成的角度考慮，我們選擇了使用CC2430無線單片機(jī)為硬件核心來實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of sensor node

CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee無線單片機(jī)，它是以經(jīng)典的8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機(jī)，也稱為“射頻SOC”。它以其優(yōu)異的無線性能、超低功耗、超低成本，在單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)了單片機(jī)無線化和無線網(wǎng)絡(luò)化的全新時(shí)代。CC2430在7mm×7mm的芯片上集成了可編程閃存以及通過認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧、ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包含14位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、看門狗定時(shí)器等。目前TI提供CC2430 ZigBee2006全套協(xié)議棧的免費(fèi)下載。

CC2430將全部的ZigBee／802.15.4需要的RF前端電路完全集成到了單片機(jī)內(nèi)部，所以非常適合用來構(gòu)建微型化的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單芯片解決方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上電運(yùn)行后，CC2430首先申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后定時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)壓力和流量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送數(shù)據(jù)傳輸單元RF前端，經(jīng)過天線進(jìn)行發(fā)送。

4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后上傳給監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力比較強(qiáng)，它一方面通過射頻模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，另一方面通過GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的直接轉(zhuǎn)換，接受監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)控任務(wù)，把收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò)相連的監(jiān)測(cè)中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由射頻收發(fā)模塊、AVR單片機(jī)、存儲(chǔ)器、GPRS通信模塊、電源管理模塊等部分組成，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of coordinator node

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的射頻收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的壓力和流量數(shù)據(jù)。射頻收發(fā)模塊的核心采用CC2420芯片，它是TI公司推出的第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件，利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率可達(dá)250kB／s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)200m。處理器模塊與無線收發(fā)模塊之間的連接非常簡(jiǎn)單，CC2420使用SFD，F(xiàn)IFO，F(xiàn)IFOP和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)。微處理器是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心，決定著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的性能，因此我們采用了Atmel公司的ATmega128L做為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的微處理器。

GPRS模塊采用法國(guó)Wavecom公司Q2406A通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能。Q2406A整合了GPRS模塊與標(biāo)準(zhǔn)接口，提供語音通信和短消息方式通信的功能，完美地支持網(wǎng)絡(luò)連接及無線上網(wǎng)。Q2406A內(nèi)建TCP／IP協(xié)議，提供安全、透明的傳輸信道，大大降低了設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也提高了微處理器處理其他數(shù)據(jù)的能力。Q2406A與微處理器的連接非常簡(jiǎn)單，使用標(biāo)準(zhǔn)串口直接與微處理器的串口連接。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，通過AT命令實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、分組數(shù)據(jù)協(xié)議激活、Internet的連接，成功獲得IP地址后便可以開始與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，這樣就建立了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同Internet的通信鏈路。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用基于面向TCP／IP協(xié)議的Socket通訊機(jī)制的C／S結(jié)構(gòu)，結(jié)合SQL server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，采用VC＋＋編寫，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示，同時(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)了GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通訊。

5.1 基于動(dòng)態(tài)域名解析的GPRS模塊同監(jiān)控中心的通信實(shí)現(xiàn)方法

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后再連接到Internet公網(wǎng)，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過Internet公網(wǎng)與GPRS模塊建立通信。由于目前IP地址資源緊張，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)沒有固定的IP，而是采用ADSL上網(wǎng)方式，每次上網(wǎng)使用的是ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商）提供的動(dòng)態(tài)IP。同時(shí)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)的GPRS模塊是使用CMNET接入Internet網(wǎng)，其IP地址也是動(dòng)態(tài)的，因此二者無法通過IP地址建立通信。為解決此問題，我們采用了動(dòng)態(tài)域名解析的方式。

采用動(dòng)態(tài)域名解析方案，首先為監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)申請(qǐng)一個(gè)域名，然后這個(gè)域名寫入各GPRS模塊中。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)接入Internet后，與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，向DNS服務(wù)器報(bào)告當(dāng)前計(jì)算機(jī)獲得的動(dòng)態(tài)IP地址。GPRS模塊上電后，先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，最終找到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，這樣就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)同現(xiàn)場(chǎng)GPRS模塊之間的通信。當(dāng)前國(guó)內(nèi)有許多DNS服務(wù)商提供動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)，采用的是花生殼動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)軟件。我們?cè)诰W(wǎng)域科技網(wǎng)上為監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)申請(qǐng)了自己的固定域名，并通過花生殼客戶端軟件將其與動(dòng)態(tài)IP地址綁定。

圖4為啟動(dòng)花生殼客戶端后顯示的域名診斷結(jié)果。圖4中“域名IP地址指向”后面的地址就是域名解析后的監(jiān)控中心動(dòng)態(tài)IP地址。

圖4 動(dòng)態(tài)域名解析實(shí)現(xiàn)Fig.4 Dynamic DNS implementation

限于篇幅，對(duì)于上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，這里只給出Socket通信模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，見圖5。

圖5 Socket通信模塊Fig.5 Socket communications module

5.2 無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，采用了IAR編譯環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，程序中實(shí)現(xiàn)的主要是傳感數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、定時(shí)發(fā)送、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及路由功能。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是以ATmega128L為核心的系統(tǒng)，所以采用了ICC AVR進(jìn)行開發(fā)。ZigBee無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序框圖如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序框圖Fig.6 Sensor nodes and coordinator node block diagram

6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：將無線傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在室外的實(shí)驗(yàn)用自來水管道上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器放置于距離傳感器節(jié)點(diǎn)大約100m左右的位置，監(jiān)控中心設(shè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。同時(shí)在試驗(yàn)管道上安裝一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)RS232接口的數(shù)據(jù)采集模塊，直接將采集到數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)的筆記本電腦。通過對(duì)比2套系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，從而判斷無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。

試驗(yàn)中對(duì)管網(wǎng)的壓力和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.1 Data contrast

從測(cè)試結(jié)果可以看出，基于ZigBee技術(shù)的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性。

7 結(jié)論

本文提出的利用動(dòng)態(tài)域名解析實(shí)現(xiàn)GPRS模塊同監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)建立通信連接的方法不僅節(jié)省了IP地址資源，而且使監(jiān)控中心能夠更加方便和靈活地使用GPRS網(wǎng)絡(luò)?；赯igBee技術(shù)和GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的城市管網(wǎng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較好地滿足了城市管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，保證了管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性和完整性。實(shí)踐證明，ZigBee技術(shù)同GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)首選的無線通信方式。

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