基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的綜合環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

孫秀勇++陸航++楊曉飛++韓成春

摘 要：設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對公共垃圾箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中管理。該系統(tǒng)集成ZigBee無線通信模塊和GPRS DUT無線傳輸模塊，以STC12C5A60S2芯片為主控單元，采集公共垃圾箱的重量、容量和箱內(nèi)異味信息并由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，通過GPRS DUT無線傳輸將匯集數(shù)據(jù)一并傳送至監(jiān)控主機(jī)，以此達(dá)到對公共垃圾箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和集中管理的目的。該系統(tǒng)操作方便，極大地減少了管理人員的工作量，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS DTU；公共垃圾箱；實(shí)時(shí)監(jiān)控；集中管理

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-04

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)保問題逐步成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，各國也不惜投入大量資金，改善人們的生活環(huán)境質(zhì)量。目前我國的環(huán)保發(fā)展還處于初級階段，大部分城市垃圾處理系統(tǒng)還不完善，人流密集的街區(qū)路口仍會(huì)出現(xiàn)垃圾箱散落溢出、未得到及時(shí)清理等情況，其主要原因在于我國城市垃圾箱的管理仍采用人力現(xiàn)場巡查的方式，這不僅需要大量勞動(dòng)力，而且工作效率低、環(huán)保成本高，也不利于城市環(huán)境集中管理。

本系統(tǒng)把無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到公共垃圾箱的集中管理中，代替人員的現(xiàn)場巡查，以提高工作效率。目前國內(nèi)市場紛紛出現(xiàn)一系列智能垃圾桶，比如自動(dòng)分類垃圾桶、自動(dòng)壓縮處理垃圾桶等產(chǎn)品[1，2]，但此類產(chǎn)品主要用于相對獨(dú)立的設(shè)施，且僅限于室內(nèi)。而本系統(tǒng)可應(yīng)用于小區(qū)、學(xué)校、廣場等公共場所，實(shí)現(xiàn)分散垃圾箱的集中管理。

1 系統(tǒng)框架及其工作原理

該系統(tǒng)主要包括公共垃圾箱監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、綜合環(huán)境監(jiān)控中心[3，4]。公共垃圾箱監(jiān)測節(jié)點(diǎn)還包括終端節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊，其中終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)通過ZigBee模塊交換分布垃圾箱采集箱內(nèi)空氣質(zhì)量，箱內(nèi)剩余容積，箱內(nèi)物質(zhì)重量等信息，匯聚節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊相連，通過GPRS模塊將采集到的信息傳送至環(huán)境監(jiān)控中心，如圖1所示。

圖1中，GPRS模塊將匯聚信息發(fā)送至以太網(wǎng)，用戶利用固定IP的主機(jī)作為監(jiān)控機(jī)從以太網(wǎng)中提取對應(yīng)的采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的管理、監(jiān)控以及對采集信息的存儲和分析。此外，由于固定IP資源有限，用戶可以利用現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)將連接以太網(wǎng)的本機(jī)解析為一個(gè)固定域名，然后通過配置GPRS單元相關(guān)參數(shù)，結(jié)合本地接收軟件的IP與端口號設(shè)置，最終也可以實(shí)現(xiàn)采集信息的接收。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由主控芯片、傳感器和ZigBee模塊組成[5]。箱內(nèi)的空氣質(zhì)量傳感器檢測箱內(nèi)空氣質(zhì)量，輸出模擬量通過微處理器的A/D轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該數(shù)字量大小反映箱內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞。箱內(nèi)容積傳感器為閾值可調(diào)節(jié)的漫反射測距傳感器，在距箱底的不同距離處由近到遠(yuǎn)布置三個(gè)光電傳感器，該光電傳感器達(dá)到閾值時(shí)向微處理器端口輸出1，即高電平，通過光電傳感器可以獲取箱內(nèi)垃圾由少量到中度再到高量的變化信息。箱內(nèi)物質(zhì)重量傳感器內(nèi)有電阻式應(yīng)變式壓力傳感器的稱重傳感器，用來檢測箱內(nèi)物質(zhì)重量，輸出模擬量通過微處理器的A/D轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該數(shù)字量大小反映箱內(nèi)物質(zhì)重量的大小。最終微處理器獲取到垃圾箱的箱內(nèi)空氣質(zhì)量、剩余容積、物質(zhì)重量，這三個(gè)參數(shù)經(jīng)過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至綜合環(huán)境監(jiān)控中心再發(fā)送給清潔人員。其系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.1 主控芯片STC12C5A60S2

主控芯片STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，是具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾特點(diǎn)的新一代8051單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)8051兼容，但速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍[6]。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。工作電壓在5.5～3.5 V之間，具有雙串口，外部時(shí)鐘源11～17 MHz，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)以1117-5V穩(wěn)壓器及并聯(lián)10 uF電容作為穩(wěn)定電源。系統(tǒng)復(fù)位采用阻容復(fù)位電路，電容為10 uF，電阻為10 k?，另設(shè)置復(fù)位開關(guān)可以對系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。STC12C5A60S2單片機(jī)的端口P3.0（RxD）和P3.1（TxD）分別與SZ05-ZigBee無線通信模塊的TxD和RxD連接，端口P1.1、P1.4為稱重傳感器和氣味傳感器的輸出電壓信號輸入端，端口P0.4、P0.5、P0.6為容量檢測器的輸出電壓信號輸入端，其他作為正常的I/O端口使用。

2.2 SZ05-ZigBee無線通信模塊

SZ05-ZigBee嵌入式無線通信模塊集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器[7，8]，具有TTL電平收發(fā)接口、標(biāo)準(zhǔn)串口 RS 232數(shù)據(jù)接口。可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。模塊傳輸距離可達(dá)到1 500 m，工作頻率2.4 GHz，可設(shè)置低功耗模式，待機(jī)電流10 mA。該模塊集成ZigBee協(xié)議，用戶只需將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)接口便可實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

2.3 LQ1000-GPRS DUT模塊

LQ1000-GPRS DTU采用了先進(jìn)的GPRS無線通信技術(shù)、嵌入式單片機(jī)技術(shù)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提供標(biāo)準(zhǔn)RS 232/485數(shù)據(jù)接口，可方便地與通用設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[9，10]。該模塊支持固定IP或動(dòng)態(tài)域名解析的連接方式，可接收指定用戶手機(jī)發(fā)送的短信命令和數(shù)據(jù)。支持850/900 MHz和1800/1 900 MHz移動(dòng)通信服務(wù)，可以在任何環(huán)境中使用，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。模塊可以實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)透明傳輸，接收手機(jī)短信指令，串口外接設(shè)備通過模塊發(fā)送短信，中心軟件通過模塊發(fā)送短信等功能。

2.4 各類傳感器模塊

作為綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其核心在于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測被測公共垃圾箱的參數(shù)指標(biāo)。YZC-1B稱重傳感器[11]能對箱體的重量進(jìn)行相對準(zhǔn)確的測量，通過主控芯片的計(jì)算分析大致判斷垃圾箱是否裝滿。TGS2600-SOP氣體傳感器監(jiān)測箱體內(nèi)周圍空氣的質(zhì)量水平，如果超過正常值，將報(bào)警信號發(fā)給微控制器。DS100C1光電傳感器檢測箱體的空間容積，如果箱體近滿，則傳感器報(bào)警，同時(shí)微控制器做出相應(yīng)判斷。最后通過微處理器串口將判斷結(jié)果和重要參數(shù)發(fā)送給無線通信模塊并上傳至監(jiān)控中心。

3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試結(jié)果

3.1 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

綜合環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要對系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)測，對終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)遠(yuǎn)程控制，也是整個(gè)系統(tǒng)的綜合監(jiān)控中心。運(yùn)行本監(jiān)控軟件的主機(jī)需要有固定的IP地址或者能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)域名解析到固定域名。

本監(jiān)控軟件基于微軟.NET環(huán)境開發(fā)，作為系統(tǒng)PC客戶端服務(wù)軟件，為系統(tǒng)提供三大基本功能：監(jiān)聽并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)參數(shù)、操作人員向外圍設(shè)備發(fā)送短信、數(shù)據(jù)存儲，其監(jiān)控軟件流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)監(jiān)聽功能配合GPRS模塊實(shí)現(xiàn)，通過開放主機(jī)IP和端口號與網(wǎng)絡(luò)中的客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，然后將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。當(dāng)數(shù)據(jù)成功連接后，發(fā)送短信就可以實(shí)現(xiàn)，但是由于下端設(shè)備需要相應(yīng)AT指令才能完成發(fā)短信操作，所有本軟件內(nèi)部又集成了將中英文字符轉(zhuǎn)換為AT指令的函數(shù)模塊。數(shù)據(jù)存儲選用輕便簡單的Access數(shù)據(jù)庫，方便用戶使用和查看，用戶可以自主選擇是否將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。此外，本軟件還可以直接將數(shù)據(jù)存入txt文本中。

軟件以C語言為基礎(chǔ)，以Microsoft Visual Studio作為集成開發(fā)環(huán)境，主要包括網(wǎng)絡(luò)流操作、數(shù)據(jù)庫操作、文件操作、界面設(shè)計(jì)等。其中，將本地服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)流建立連接是本軟件的基礎(chǔ)部分。因此，程序獲取本地固定IP，并將數(shù)據(jù)映射到計(jì)算機(jī)端口是本軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。其核心代碼如下：

txtPort.Text = “10000”；//設(shè)置開發(fā)端口

IPAddress[] ips = Dns.GetHostAddresses（Dns.GetHostName（））；//獲取IP

for （int i = 0； i < ips.Length ； i++） {

if （ips[i].ToString（）.Length < 20）//過濾掉IPv6

{

IPBox.Text = ips[i].ToString（）；//得到12位IP

}

}

此外，用戶可以通過本軟件遠(yuǎn)程控制GPRS模塊向任意手機(jī)發(fā)送短信。由于GPRS模塊在發(fā)送中文短信時(shí)必須有附加指令操作，即在需要發(fā)送的手機(jī)號碼開頭和結(jié)尾分別加上 “SMS”、“#”。因此，軟件需要加上額外指令以及漢字轉(zhuǎn)為Unicode碼操作。具體代碼如下：

string DTU_Text_ASCII；

string DTU_Text_Unicode；

DTU_Text_ASCII ="SMS"+ textBox1.Text + "#"；

DTU_Text_Unicode = textBox3.Text；

DTU_Text_ASCII = DTU_Text_ASCII.Trim（）；

try {

string ss = StrToHex（DTU_Text_ASCII）；

txtReceive.Text = ss+DTU_Text_Unicode；

byte[]data1= Encoding.ASCII.GetBytes（DTU_Text_ASCII）；

byte[]data2= System.Text.Encoding.Unicode.GetBytes（DTU_Text_Unicode）；

for （int i = 0； i < data2.Length；i+=2 ） {

byte temp1；

temp1 = data2[0+i]；

data2[0+i] = data2[1+i]；

data2[1+i] = temp1；

}

this._networkStream.Write（data1，0，data1.Length）；

//將字節(jié)數(shù)組發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)流中

this._networkStream.Write（data2，0， data2.Length）；

}

3.2 軟件調(diào)試結(jié)果

本監(jiān)控軟件基于微軟.NET Framework 4.0，結(jié)構(gòu)精簡，基本不占系統(tǒng)內(nèi)存。軟件運(yùn)行環(huán)境最低要求：Windows7系統(tǒng)，512 MB RAM，1 GHz主頻。

圖5為登錄界面，用戶輸入賬號和密碼，點(diǎn)擊登錄即可。如果勾選“記住密碼”，則軟件在下次登錄時(shí)無需再次輸入密碼。

圖6為監(jiān)測界面，點(diǎn)擊“監(jiān)聽”按鈕開始監(jiān)聽（接收）客戶端的傳送數(shù)據(jù)，并顯示在“網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收區(qū)”。通過區(qū)域選擇用戶可查看對應(yīng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)情況，比如被選區(qū)域1的節(jié)點(diǎn)2處的箱體處于已滿狀態(tài)，此時(shí)自動(dòng)向清理人員發(fā)送短信，或?qū)⑿畔l(fā)送至綜合環(huán)境監(jiān)控中心。

圖4 監(jiān)控軟件流程圖

圖5 軟件登陸界面圖 圖6 監(jiān)控軟件讀取數(shù)據(jù)結(jié)果

此外，若用戶勾選監(jiān)控界面的“數(shù)據(jù)存入Access數(shù)據(jù)庫”的選擇框，可以將重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，存儲成功顯示“與數(shù)據(jù)連接成功”，如圖7所示。

圖7 讀取數(shù)據(jù)存取結(jié)果

4 結(jié) 語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的綜合環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，配合底層各終端節(jié)點(diǎn)和綜合環(huán)境監(jiān)控軟件，對公共垃圾箱實(shí)現(xiàn)集中管理和集中監(jiān)控，減少工作人員的工作量，提高工作效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。通過自主開發(fā)的綜合環(huán)境監(jiān)控軟件測試，其操作界面簡單，設(shè)計(jì)功能齊全、成本低、具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周慧珺，許錦標(biāo). 新型智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 23（3）：85-88.

[2] 湯俊良.智能垃圾箱[J]. 科學(xué)啟蒙， 2005 （6）：14.

[3] 楊曉飛，陸航，孫秀勇，等. 公共垃圾箱自動(dòng)預(yù)報(bào)清理控制裝置[P]. 2014- 11.

[4] 陸航，楊曉飛，孫秀勇，等. 一種公共垃圾箱按需定點(diǎn)清理自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[P].2014-12.

[5] 杜春飛. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)， 2012.

[6] 黃超，劉婷，謝印慶. 基于STC12C5A60S2多功能通信開發(fā)板設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2014， 37（5）： 152-155.

[7] 趙晨.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島：中國海洋大學(xué)， 2007.

[8] 林子敬. 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 合肥：中國科技技術(shù)大學(xué)， 2009.

[9] 楊州.基于GPRS的無線信息采集監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)， 2011.

[10] 夏忠球.淺談GPRS的網(wǎng)絡(luò)工作原理及其優(yōu)勢[J].電腦與電信， 2010（12）：36-37.

[11] 錢婷婷，李正明，石鑫，等. 基于單片機(jī)的自動(dòng)稱重系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化， 2014 （16）：116-118.