基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的沙井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

沙井蓋系統(tǒng)是城市的重要組成部分，電力，通信，燃?xì)獾雀鞔笃髽I(yè)都需要在城市中設(shè)置沙井蓋系統(tǒng)。隨著城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沙井蓋系統(tǒng)也越來(lái)越龐大，對(duì)其的管理也越發(fā)的困難。沙井蓋被盜，汽車“輪陷”，行人落井，輕則負(fù)傷重則喪命——沙井蓋問題給人們的出行帶來(lái)安全隱患。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

本文設(shè)計(jì)一套的沙井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合單片機(jī)和傳感器技術(shù)，采集沙井蓋的狀態(tài)，并應(yīng)用Zigbee技術(shù)，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)了沙井蓋的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[2]，使得沙井蓋系統(tǒng)的管理更加方便、快捷，有效降低維護(hù)成本。

一、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括控制中心、路由節(jié)點(diǎn)、沙井蓋節(jié)點(diǎn)和通信系統(tǒng)組成。如圖1所示，沙井蓋節(jié)點(diǎn)主要包括霍爾傳感器、時(shí)鐘芯片和Zigbee通訊模塊等，通過采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息和沙井蓋工作狀態(tài)信息，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)。

路由節(jié)點(diǎn)主要包括Zigbee通訊模塊、RTL8019AS以太網(wǎng)控制器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片等，控制中心通過路由節(jié)點(diǎn)的IP地址，采用查訪的方式訪問路由節(jié)點(diǎn)，讀取節(jié)點(diǎn)信息。在出現(xiàn)故障時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)向控制中心發(fā)送報(bào)警信息。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1沙井蓋節(jié)點(diǎn)

沙井蓋監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530作為控制芯片[4]，該芯片內(nèi)置高效低功耗8051內(nèi)核、256KB 可編程flash、電壓監(jiān)控電路和內(nèi)部芯片溫度傳感器、看門狗電路功能、并集成了ZigBee PRO/IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在板載PCB天線的條件下可實(shí)現(xiàn)80米可視范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊，及多節(jié)點(diǎn)之間的多跳路由。

霍爾開關(guān)具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下等特點(diǎn)。故采用全極霍爾開關(guān)檢測(cè)井蓋丟失和開啟。安裝有蜂鳴器和LED指示燈，在沙井蓋開啟或丟失的情況下進(jìn)行報(bào)警。圖2為沙井蓋節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。

2.2路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)電路以CC2530作為控制芯片和Zigbee通訊模塊。采用RTL8019AS芯片作為以太網(wǎng)控制器，該控制器符合Ethernet II與IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用全雙工收發(fā)并可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率，內(nèi)置16 kB的SRAM，支持8/16位數(shù)據(jù)總線，可以方便的與微處理器進(jìn)行連接。

三、控制方法與軟件設(shè)計(jì)

沙井蓋控制系統(tǒng)主要是對(duì)沙井蓋節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，故障檢測(cè)等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其控制方法包括沙井蓋安裝、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。

3.1故障安裝及檢測(cè)方法

沙井蓋管理系統(tǒng)的一個(gè)非常關(guān)鍵的功能就是對(duì)沙井蓋的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。我們可以利用全極霍爾效應(yīng)開關(guān)對(duì)沙井蓋的狀態(tài)檢測(cè)，來(lái)判斷沙井蓋的開關(guān)狀態(tài)[5]。

如圖3所示，圖中A點(diǎn)為磁鐵，安裝在沙井蓋與地面連接處的空隙部分。B點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)模塊中的全極霍爾效應(yīng)開關(guān)。在水井蓋關(guān)閉時(shí)，B點(diǎn)檢測(cè)到A點(diǎn)的磁場(chǎng)，全極霍爾效應(yīng)開關(guān)打開；在沙井蓋打開的時(shí)候B點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到磁場(chǎng)，全極霍爾效應(yīng)開關(guān)關(guān)閉。

3.2沙井蓋管理策略

對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)段的沙井蓋節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)中，由于同一個(gè)Zigbee網(wǎng)段內(nèi)可掛載256個(gè)子節(jié)點(diǎn)[3]，因此在沙井蓋安裝的時(shí)候，可通過控制電路上的8位撥碼開關(guān)對(duì)沙井蓋的地址進(jìn)行設(shè)置（0～255），其中0號(hào)地址為該網(wǎng)段路由節(jié)點(diǎn)的地址。

3.3控制程序設(shè)計(jì)

3.3.1沙井蓋節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

沙井蓋節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行Zigbee組網(wǎng)，然后檢測(cè)沙井蓋開啟狀態(tài)信息，再監(jiān)聽Zigbee網(wǎng)絡(luò)的指令信息，根據(jù)指令信息反饋當(dāng)前狀態(tài)。沙井蓋節(jié)點(diǎn)的控制流程如圖4所示。

3.3.2路由節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)主要協(xié)調(diào)沙井蓋與控制中心上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)。由于節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)較多，如果由沙井蓋節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的話容易造成同一網(wǎng)段內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的情況，造成信息的滯后，甚至丟失，因此路由節(jié)點(diǎn)與沙井蓋之間采用主動(dòng)查詢的方式，由路由節(jié)點(diǎn)定時(shí)向沙井蓋節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢指令來(lái)查詢沙井蓋節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。同理控制中心也是采用定時(shí)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令來(lái)取得各網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。

沙井蓋控制的實(shí)時(shí)性要求不用很高，可以幾分鐘查詢一次節(jié)點(diǎn)信息。因此不會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)傳輸。路由節(jié)點(diǎn)的控制流程如圖5所示。

3.3.3上位機(jī)程序

上位機(jī)程序采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)沙井蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。每個(gè)沙井蓋節(jié)點(diǎn)的信息作為一條記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并以表格的形式把節(jié)點(diǎn)信息顯示于主界面上?？商砑觿h除網(wǎng)段，對(duì)網(wǎng)段的IP地址進(jìn)行配置，添加刪除沙井蓋節(jié)點(diǎn)，雙擊表格中的選項(xiàng)對(duì)沙井蓋的設(shè)置進(jìn)行修改。

3.3.4數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

沙井蓋節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)與控制中心之間都需要數(shù)據(jù)通訊，它們之間的通訊協(xié)議如下：

四、結(jié)論

經(jīng)實(shí)地測(cè)試，單節(jié)點(diǎn)間可實(shí)現(xiàn)空曠地帶80米距離內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的，可以加上外置天線，可實(shí)現(xiàn)100-2500米空曠范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)于節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的連接，采用跳由節(jié)點(diǎn)多跳的方式傳輸。

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的沙井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了沙井蓋的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，為沙井蓋的統(tǒng)一管理提供了可能，也大大降低了沙井蓋維護(hù)的難度和成本，也為行人出行的安全提供較有力的保障。具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。該方案目前適用于小區(qū)等環(huán)境較簡(jiǎn)單的地方，對(duì)于公路，廠區(qū)等環(huán)境較惡劣的地方，還應(yīng)該考慮設(shè)備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，比如密封、抗腐蝕等。

在后期的研究中，可加入GPRS無(wú)線通訊，對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法連接網(wǎng)絡(luò)的，可以采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[6]。還可增加其它傳感器對(duì)井內(nèi)情況，如注水情況等進(jìn)行檢測(cè)，還可增加多節(jié)點(diǎn)協(xié)同的控制策略，是研究無(wú)線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的較好的應(yīng)用平臺(tái)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周怡頲， 凌志浩， 吳勤勤. ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005（6）：5-9.

[2]崔杰. 基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 華南理工大學(xué)，2012.

[3]臺(tái)宏達(dá)， 田國(guó)會(huì)等. ZigBee2006協(xié)議棧的無(wú)線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（7）：35-38.

[4]李俊斌，胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2011（16）：108-111.

[5]彭建盛，藍(lán)忠武. 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能路燈系統(tǒng)[J]. 河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（30）：52-57.

[6]張俊華. 基于 GPRS 和Zigbee 的無(wú)線智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012，（7）：200-201.