基于無線通訊的城市窨井遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控?cái)?shù)字化信息系統(tǒng)

解兆延，張延波，徐文青，張琳，周廣旭

(山東省科學(xué)院自動化研究所，山東濟(jì)南250014)

城市井蓋的丟失一直是令市政部門和相關(guān)企業(yè)非常頭疼的問題，不僅給人員、車輛造成重大安全隱患，而且井下的線纜和設(shè)備的丟失，極易導(dǎo)致通訊、電力以及供水供氣中斷，給企業(yè)和居民造成巨大損失［1］。無論是通訊公司的線纜井、自來水公司的閥門井蓋，還是市政管理處的雨水井箅、污水檢查井蓋，每套價值均為數(shù)百元，進(jìn)入井下盜竊線纜及設(shè)備的事件時有發(fā)生。據(jù)此估算，每年濟(jì)南市僅這些設(shè)施丟失造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)數(shù)百萬元，而且對市民人身安全構(gòu)成重大威脅。如果延伸到全國各大中城市，其造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害更是難于估量。所以做好城市窨井井蓋的防盜與監(jiān)控，及時掌握其現(xiàn)狀信息，對城市建設(shè)和管理顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)已有幾家公司開展相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作。如長沙高新開發(fā)區(qū)璽天科技開發(fā)有限公司研發(fā)的“信號旗井蓋防盜系統(tǒng)”［2］，連云港溢瑞科技有限公司的“電力井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”［3］，但這些系統(tǒng)普遍存在成本高，傳輸系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。本系統(tǒng)結(jié)合ZigBee、GPRS、GIS和WSN等技術(shù)，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，解決了上述系統(tǒng)可靠性低、投資成本和運(yùn)營成本過高等問題。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括防盜井蓋、無線通訊網(wǎng)關(guān)和數(shù)字化信息系統(tǒng)三部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)綜合利用GPRS網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS地圖和WSN技術(shù)等高科技手段，將整個系統(tǒng)融入到城市信息化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;形成一個成熟的城市窨井井蓋遠(yuǎn)程防盜監(jiān)控及數(shù)字化信息系統(tǒng)。

(2)主動預(yù)警和報(bào)警。對窨井的環(huán)境狀態(tài)和窨井井蓋的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并通過ZigBee和GPRS組成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預(yù)警和報(bào)警信息［4］。

(3)實(shí)時信息報(bào)警。當(dāng)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫接收到預(yù)警和報(bào)警信息時，數(shù)字化信息系統(tǒng)通過短信息的方式，將信息實(shí)時發(fā)送到窨井相關(guān)負(fù)責(zé)單位和負(fù)責(zé)人。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

城市線纜井遠(yuǎn)程防盜監(jiān)控及數(shù)字化信息系統(tǒng)由三大部分組成即防盜井蓋、無線通訊網(wǎng)關(guān)和數(shù)字化信息系統(tǒng)。

2.1 防盜井蓋

防盜井蓋主要由遙控器、送電設(shè)備、受電器、控制系統(tǒng)和井蓋電動鎖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

防盜井蓋控制系統(tǒng)采用DIGI公司的基于ZigBee協(xié)議的無線收發(fā)模塊XBee-Pro［5］，該模塊為即插即用方式，模塊設(shè)計(jì)滿足 IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz。在網(wǎng)絡(luò)性能方面，具有DSSS(直接序列擴(kuò)頻)功能，可以組成對等網(wǎng)、點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)［6］。XBee-Pro模塊的基本性能參數(shù)如下 :發(fā)送功率100 mW，接收靈敏度－100 dBm，室內(nèi)傳輸距離100 m，室外傳輸距離1 500 m，RF數(shù)據(jù)傳輸速率250 kb/s;在3.3 V電源下，發(fā)送電流215 mA，接收電流 55 mA［7］。

控制系統(tǒng)的MCU選用FREESCALE公司的8位單片機(jī)MC9S08AW60，這是一款高性能的8位微控制器，是首個能支持5 V基于高性能HCS08核系列成員。該單片機(jī)包含 60 kB 的 FLASH 存儲器，2 kB RAM，A/D，2 個 SCI、SPI、IIC 等，具有不同的引腳、封裝及溫度范圍［8－9］，見圖3。防盜井蓋控制系統(tǒng)采用蓄電池供電，平時處于低功耗的休眠狀態(tài)，可通過定時喚醒或外部中斷喚醒。這樣既可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時性，也可以最大限度地降低系統(tǒng)的功耗。當(dāng)井蓋外送電裝置給井蓋電動鎖具送電時，同時給井蓋控制系統(tǒng)的蓄電池供電。

圖2 防盜井蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of an anti-theft manhole cover

防盜井蓋的主要功能包括兩個部分，即打開和關(guān)閉井蓋以及監(jiān)測井蓋狀態(tài)及窨井內(nèi)的環(huán)境情況。電動鎖具在井蓋的內(nèi)側(cè)與控制單元連接，控制單元通過基于ZigBee協(xié)議的無線通訊方式與遙控器或其他井蓋控制單元或無線通訊模塊配合，由遙控器或遠(yuǎn)程遙控開關(guān)井蓋。井蓋電動鎖具的電源由井蓋外送電裝置提供，以防止遠(yuǎn)程誤操作，每個井蓋對應(yīng)一個唯一的編碼。當(dāng)發(fā)現(xiàn)不是經(jīng)遙控器發(fā)出信號打開的井蓋，認(rèn)為是非法侵入，報(bào)警信號經(jīng)其他控制單元或無線通訊模塊傳至數(shù)字化信息系統(tǒng);沒有防盜裝置的井蓋，可在井口或井座上安裝位移傳感器，當(dāng)發(fā)生井蓋移動時，該傳感器發(fā)出信號送至無線通訊模塊，由無線通訊模塊通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，從而將信息傳送至數(shù)字化信息系統(tǒng)。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the control system

2.2 無線通訊網(wǎng)關(guān)

無線通訊網(wǎng)關(guān)由無線通訊模塊、GPRS通訊模塊、供電模塊和單片機(jī)處理器模塊組成。

無線通訊模塊采用DIGI公司的XBee-Pro模塊。該模塊一方面負(fù)責(zé)與井蓋的數(shù)據(jù)傳輸，一方面通過單片機(jī)處理模塊與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊來實(shí)現(xiàn)，該模塊是一個專門為中國大陸市場設(shè)計(jì)的雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為:EGSM900 MHz和 DCS1800 MHz。SIM 900A支持 GPRSmulti-slot class 10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3，CS-4。SIM900A采用省電設(shè)計(jì)技術(shù)，在SLEEP模式下電流只有1.0 mA。其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸方面非常有用［10］。SIM900A的作用是負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

供電模塊負(fù)責(zé)為整個無線通訊網(wǎng)關(guān)供電。單片機(jī)采用FREESCALE公司的8位處理器MC9S08AW60，主要負(fù)責(zé)XBee-Pro模塊和SIM900A模塊間的數(shù)據(jù)交換，詳見圖4。

無線通訊網(wǎng)關(guān)主要功能是將ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到線纜井防盜監(jiān)控系統(tǒng)中，對井蓋狀態(tài)甚至可燃性氣體、溫濕度或井下設(shè)備狀況等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由嵌入式系統(tǒng)對其進(jìn)行處理，通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾腉PRS網(wǎng)絡(luò)終端，再由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)字化信息系統(tǒng)，能夠彌補(bǔ)有線設(shè)備的缺陷。

整個網(wǎng)絡(luò)由基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)形成自組網(wǎng)絡(luò)。某個井蓋的數(shù)據(jù)可以通過多跳中繼方式發(fā)送到井外GPRS網(wǎng)絡(luò)終端，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送到數(shù)字化信息系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控［11－12］。

圖4 無線通訊網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of a wireless communication gateway

2.3 數(shù)字化信息平臺

該信息平臺的主要功能是在線實(shí)時檢測窨井井蓋狀態(tài)以及窨井環(huán)境信息(溫度、濕度、可燃性氣體濃度)。該平臺一般建立在市政管理部門，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收GPRS網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警和其他相關(guān)信息并與GIS電子地圖結(jié)合，對各轄區(qū)內(nèi)所屬的井蓋防盜進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度處警和對工程維護(hù)實(shí)行授權(quán)管理。

為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性，保證操作界面的友好，系統(tǒng)主要采用了以下技術(shù):(1)以Mapx5.0為GIS平臺，支持監(jiān)控窨井井蓋以電子地圖為媒介進(jìn)行可視化高效管理;支持監(jiān)控窨井井蓋異常告警、短信報(bào)警功能;(2)以SQL SERVER2005作為后臺數(shù)據(jù)庫，采用ADO訪問技術(shù)，保證了海量數(shù)據(jù)的安全存儲與快速查詢功能［13］;(3)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，采用多線程處理技術(shù)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時性;(4)多視覺顯示監(jiān)控對象的屬性參數(shù)，保證數(shù)據(jù)報(bào)表簡潔明了，軟件界面友好、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定。

整個數(shù)字化信息系統(tǒng)由線纜井實(shí)時信息子系統(tǒng)、報(bào)警及處理子系統(tǒng)、線纜井用戶信息子系統(tǒng)、管理部門及人員信息子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)布及短信子系統(tǒng)和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of the information system

3 結(jié)論

目前該系統(tǒng)的研發(fā)工作已基本完成，正在進(jìn)行功能樣機(jī)的現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)對城市窨井井蓋和窨井內(nèi)環(huán)境狀況的監(jiān)測，后續(xù)將在系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃陨献鬟M(jìn)一步的完善和改進(jìn)。該項(xiàng)目不僅可以填補(bǔ)我市在窨井防盜及管理信息化方面的空白，減少和杜絕經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害，而且能夠提高我省和我國各大中城市的市政管理水平，豐富城市數(shù)字市政建設(shè)的內(nèi)容，真正做到市政管理資源的合理應(yīng)用，提升城市的形象和競爭力。

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