一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的智能安全監控系統設計

　　摘要：隨著(zhù)我國現代經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，城市井蓋數目逐漸增加。由于較多井蓋被盜，致使路面形成陷阱，危害到過(guò)往車(chē)輛和行人安全。本文提出了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的智能安全監控系統，解決分布式布控困難、不能實(shí)時(shí)監控、成本較高的問(wèn)題。融合GPRS網(wǎng)絡(luò )，設計相應的嵌入式網(wǎng)關(guān)和Web服務(wù)器，實(shí)現了對缺失井蓋的精確定位、自動(dòng)報警功能。

　　引言

　　城市道路上的井蓋經(jīng)常會(huì )出現破損或丟失，這樣會(huì )在路面上形成陷阱，對過(guò)往車(chē)輛和行人造成危險。全國特大型城市各類(lèi)井蓋總數量均在100萬(wàn)個(gè)以上，大型城市在80萬(wàn)個(gè)以上，中型城市在50萬(wàn)個(gè)以上。據統計，一般城市井蓋年被盜數量超過(guò)總量的1%左右。井蓋產(chǎn)生的安

　　全隱患包括：井蓋被盜，通過(guò)井蓋入口盜竊地下電線(xiàn)纜，影響供電和通信;由于下水道未按時(shí)清淘造成淤積，長(cháng)時(shí)間形成沼氣濃度過(guò)高易引發(fā)中毒、爆炸等危險事件。

　　1 系統概述

　　圖1為系統工作原理圖，系統組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡(luò )、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務(wù)器，井蓋報警器之間采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，每個(gè)報警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)，通過(guò)固定的組網(wǎng)方式形成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。報警器以接力的方式將數據傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器節點(diǎn)，協(xié)調器節點(diǎn)負責接收所有網(wǎng)絡(luò )中的報警器節點(diǎn)信息。

　　協(xié)調器節點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)之間交互數據，將ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)報警器節點(diǎn)信息匯聚傳遞到嵌入式網(wǎng)關(guān)，同時(shí)將用戶(hù)查詢(xún)和設置命令下發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)采集數據嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠對各個(gè)井蓋報警器狀態(tài)和位置進(jìn)行顯示和存儲。嵌入式網(wǎng)關(guān)同時(shí)還起到實(shí)時(shí)報警和上傳數據到網(wǎng)絡(luò )的作用，GPRS模塊主要負責GPRS模塊接收井蓋報警器傳來(lái)的報警信息和井蓋編碼信息，并通過(guò)GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數據庫服務(wù)器中，實(shí)現報警數據的上傳。市政設施管理處以及自來(lái)水廠(chǎng)等政府機構可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)自己?jiǎn)挝坏木w狀態(tài)，是否需要維護，并同時(shí)發(fā)送短信給檢修人員，實(shí)現及時(shí)維修和處理。

　　工作原理：當井蓋被打開(kāi)后，井蓋報警器上面的紅外感應傳感器感知光線(xiàn)產(chǎn)生報警，將報警信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸，傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)中。嵌入式網(wǎng)關(guān)處理數據，顯示報警位置，通過(guò)GPRS模塊將信息統一發(fā)送至固定IP的服務(wù)器上，用戶(hù)通過(guò)Web服務(wù)器中心可以查詢(xún)每個(gè)井蓋的安全情況。同時(shí)，服務(wù)器中心通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將消息發(fā)送給每個(gè)附近的維修單位，達到實(shí)時(shí)安全監管的效果。GPRS模塊會(huì )將井蓋的位置和情況發(fā)送給周邊的檢修人員，通知檢修人員及時(shí)修理。

　　2 系統組成

　　2.1 井蓋報警器節點(diǎn)

　　圖2所示為井蓋報警器節點(diǎn)結構圖，包含ZigBee控制器、蜂鳴器、高亮度LED、氣體傳感器、光敏傳感器。

　　其中，負責組成網(wǎng)絡(luò )的ZigBee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2530，內部集成了工作在2.4 GHz的射頻發(fā)射器和低功耗的8051MCU內核。

　　井蓋報警器節點(diǎn)的原理為：通過(guò)嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統供電，通過(guò)傳感器檢測井蓋安全狀況。當井蓋被盜時(shí)，光敏傳感器感知光線(xiàn)并將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中;當沼氣濃度過(guò)高時(shí)，氣體傳感器感知濃度，將報警信息和地址編碼傳輸到鄰近的ZigBee路由器中。

　　2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

　　嵌入式網(wǎng)關(guān)采用三星公司的S3C6410處理器，主頻達到667 MHz。陔網(wǎng)關(guān)具有較好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴展設計了一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)，采用Linux操作系統，移植TCP/IP協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò )故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項目中的網(wǎng)關(guān)很好地克服了傳統網(wǎng)關(guān)架構下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸，大大降低了協(xié)議轉換過(guò)程中的資源和處理時(shí)間消耗。該網(wǎng)關(guān)設計思路新穎，具有較強的實(shí)用性。界面簡(jiǎn)單易操作，通信效果良好，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程監測井蓋安全的實(shí)時(shí)變化，為市政提供了有效、及時(shí)的信息。

　　2.3 Web服務(wù)器

　　利用PC機建立Web服務(wù)器，對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的數據進(jìn)行存儲和顯示，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接至政府部門(mén)，方便各個(gè)單位查詢(xún)井蓋情況。在服務(wù)器設計中，前端采用ASP.NET開(kāi)發(fā)頁(yè)面，后端采用ADO.NET操作數據庫。每個(gè)報警器節點(diǎn)數據傳輸過(guò)來(lái)到服務(wù)器后，服務(wù)器通過(guò)SQL數據庫進(jìn)行接收、處理和存儲。主要信息包含：井蓋節點(diǎn)位置信息、安全狀況信息、實(shí)時(shí)監控信息、歷史監控信息。Web服務(wù)器根據設計功能需求，主要分為登陸界面、井蓋分布位置界面、井蓋安全狀況界面、歷史數據等界面。

　　3 系統設計

　　3.1 系統硬件設計

　　3.1.1 ZigBee模塊

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )中模塊有三種類(lèi)型：協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)。ZigBee模塊采用TI公司的射頻模塊CC2530，采用IEEE802.15.4協(xié)議，集成了RF和8051 MCU內核，具有256K的閃存，工作頻率為2.4 GHz，通信距離可以達到100 m，具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統。

　　3.1.2 光敏傳感器

　　光敏傳感器采用光敏二極管，光敏二極管響應范圍適用于可見(jiàn)光范圍，紅外光全截止，頻譜范圍近似人眼。通過(guò)ZigBee控制器的A/D模塊采集光敏二極管上面的光線(xiàn)強度，當井蓋損壞或被盜后，光敏二極管檢測光線(xiàn)發(fā)生變化從而報警。氣體傳感器采用MH-440V/D紅外氣體傳感器，通過(guò)測定氣體成分的吸光度，就能測定氣體成分的濃度，氣體傳感器主要負責檢測下水道沼氣是否超標。

　　3.1.3 GPRS模塊

　　GPRS模塊選用SIM900A模塊，該設備采用高性能處理器，內嵌TCP/IP協(xié)議棧，保證數據可靠傳輸。GPRS模塊主要負責接收井蓋報警器傳來(lái)的報警信息和井蓋編碼信息，并通過(guò)GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數據庫服務(wù)器中，實(shí)現報警數據的上傳。同時(shí)，發(fā)送短信給維修人員，實(shí)現及時(shí)維修和處理。