一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
引言
城市道路上的井蓋經常會出現(xiàn)破損或丟失,這樣會在路面上形成陷阱,對過往車輛和行人造成危險。全國特大型城市各類井蓋總數(shù)量均在100萬個以上,大型城市在80萬個以上,中型城市在50萬個以上。據(jù)統(tǒng)計,一般城市井蓋年被盜數(shù)量超過總量的1%左右。井蓋產生的安
全隱患包括:井蓋被盜,通過井蓋入口盜竊地下電線纜,影響供電和通信;由于下水道未按時清淘造成淤積,長時間形成沼氣濃度過高易引發(fā)中毒、爆炸等危險事件。
1 系統(tǒng)概述
圖1為系統(tǒng)工作原理圖,系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、GPRS短信模塊、Web服務器,井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術,每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點,通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器節(jié)點,協(xié)調器節(jié)點負責接收所有網(wǎng)絡中的報警器節(jié)點信息。
協(xié)調器節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關之間交互數(shù)據(jù),將ZigBee網(wǎng)絡中的各個報警器節(jié)點信息匯聚傳遞到嵌入式網(wǎng)關,同時將用戶查詢和設置命令下發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡。通過采集數(shù)據(jù)嵌入式網(wǎng)關能夠對各個井蓋報警器狀態(tài)和位置進行顯示和存儲。嵌入式網(wǎng)關同時還起到實時報警和上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡的作用,GPRS模塊主要負責GPRS模塊接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息,并通過GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務器中,實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構可以通過網(wǎng)絡查詢自己單位的井蓋狀態(tài),是否需要維護,并同時發(fā)送短信給檢修人員,實現(xiàn)及時維修和處理。
工作原理:當井蓋被打開后,井蓋報警器上面的紅外感應傳感器感知光線產生報警,將報警信息通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸,傳到嵌入式網(wǎng)關中。嵌入式網(wǎng)關處理數(shù)據(jù),顯示報警位置,通過GPRS模塊將信息統(tǒng)一發(fā)送至固定IP的服務器上,用戶通過Web服務器中心可以查詢每個井蓋的安全情況。同時,服務器中心通過互聯(lián)網(wǎng)將消息發(fā)送給每個附近的維修單位,達到實時安全監(jiān)管的效果。GPRS模塊會將井蓋的位置和情況發(fā)送給周邊的檢修人員,通知檢修人員及時修理。
2 系統(tǒng)組成
2.1 井蓋報警器節(jié)點
圖2所示為井蓋報警器節(jié)點結構圖,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)絡的ZigBee控制器采用TI公司生產的針對IEEE 802.15.4應用的片上系統(tǒng)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(jié)點的原理為:通過嵌入式壓電供電模塊為ZigBee控制系統(tǒng)供電,通過傳感器檢測井蓋安全狀況。當井蓋被盜時,光敏傳感器感知光線并將報警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中;當沼氣濃度過高時,氣體傳感器感知濃度,將報警信息和地址編碼傳輸?shù)洁徑腪igBee路由器中。
2.2 嵌入式網(wǎng)關
嵌入式網(wǎng)關采用三星公司的S3C6410處理器,主頻達到667 MHz。陔網(wǎng)關具有較好的通用性,采用ARM11芯片S3C6410作為核心擴展設計了一個ZigBee網(wǎng)關,采用Linux操作系統(tǒng),移植TCP/IP協(xié)議,將網(wǎng)絡故障下的信息存儲在FLASH芯片中。項目中的網(wǎng)關很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關架構下ZigBee傳輸速率較慢的瓶頸,大大降低了協(xié)議轉換過程中的資源和處理時間消耗。該網(wǎng)關設計思路新穎,具有較強的實用性。界面簡單易操作,通信效果良好,能夠通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)測井蓋安全的實時變化,為市政提供了有效、及時的信息。
2.3 Web服務器
利用PC機建立Web服務器,對無線傳感網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行存儲和顯示,同時通過網(wǎng)絡連接至政府部門,方便各個單位查詢井蓋情況。在服務器設計中,前端采用ASP.NET開發(fā)頁面,后端采用ADO.NET操作數(shù)據(jù)庫。每個報警器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過來到服務器后,服務器通過SQL數(shù)據(jù)庫進行接收、處理和存儲。主要信息包含:井蓋節(jié)點位置信息、安全狀況信息、實時監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息。Web服務器根據(jù)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(shù)據(jù)等界面。
3 系統(tǒng)設計
3.1 系統(tǒng)硬件設計
3.1.1 ZigBee模塊
ZigBee網(wǎng)絡中模塊有三種類型:協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。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(tǒng)。
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光范圍,紅外光全截止,頻譜范圍近似人眼。通過ZigBee控制器的A/D模塊采集光敏二極管上面的光線強度,當井蓋損壞或被盜后,光敏二極管檢測光線發(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(shù)據(jù)可靠傳輸。GPRS模塊主要負責接收井蓋報警器傳來的報警信息和井蓋編碼信息,并通過GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務器中,實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。同時,發(fā)送短信給維修人員,實現(xiàn)及時維修和處理。
3.2 系統(tǒng)軟件設計
3.2.1 系統(tǒng)工作流程
ZigBee井蓋報警系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。ZigBee井蓋報警器正常工作狀態(tài)時處于休眠狀態(tài),當光線和氣體檢測超出告警閾值時,喚醒ZigBee控制器,讀取井蓋基本信息并進行ZigBee網(wǎng)絡的無線傳輸,將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡中鄰近的節(jié)點,最后傳輸給嵌入式網(wǎng)關進行處理。嵌入式網(wǎng)關控制GPRS模塊將信息發(fā)送給Web服務器,同時發(fā)送報警短信給維修人員,Web服務器通過數(shù)據(jù)庫將信息存儲。
3.2.2 ZigBee協(xié)調器
ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議采用TI公司的Z-STACK,協(xié)議棧為ZigBee 2007。ZigBee 2007是ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的一種低成本、極低功耗的雙向無線通信標準,是TI公司專門為CC2530芯片設計的協(xié)議棧。本系統(tǒng)協(xié)議設備以協(xié)調器和路由器為主,軟件設計主要包含協(xié)調器節(jié)點軟件和路由器節(jié)點軟件。
ZigBee協(xié)調器的軟件流程圖如圖4所示,ZigBee網(wǎng)絡啟動時會進行設備初始化,通過協(xié)調器設置網(wǎng)絡唯一的PAN ID,設置協(xié)調器的地址。進入信道掃描階段,判斷現(xiàn)在是否有相同PAN ID的網(wǎng)絡,如果存在的話就選擇現(xiàn)有協(xié)調器節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求。如果不存在網(wǎng)絡,協(xié)調器在信道掃描成功后會排列信道,并選擇出最優(yōu)通道,確定網(wǎng)絡ID,建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡建立好以后,協(xié)調器會進入無線偵聽的階段,如果有新設備節(jié)點加入網(wǎng)絡,協(xié)調器會按順序給其分配網(wǎng)絡地址。如果有串口數(shù)據(jù)接收,協(xié)調器會進入處理串口數(shù)據(jù)的階段,主要負責嵌入式網(wǎng)關發(fā)送的控制命令。
3.2.3 ZigBee路由器
報警系統(tǒng)中的井蓋報警器作為ZigBee網(wǎng)絡中的路由器,主要負責報警數(shù)據(jù)采集和中繼傳輸。通過配置CC2530的ADC控制器開始數(shù)據(jù)的采集,設置A/D轉換的速率和讀取數(shù)據(jù)時間間隔。路由器的軟件流程圖如圖5所示,路由器節(jié)點上電后進行軟硬件的初始化,掃描網(wǎng)絡是否存在,選擇符合的PAN ID網(wǎng)絡加入,成為網(wǎng)絡中的子結點。
路由器加入網(wǎng)絡后處于休眠狀態(tài),當有告警中斷產生時,喚醒CPU并進入中斷處理函數(shù),中斷處理主要包含對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,將報警器的傳感器數(shù)據(jù)采集打包發(fā)送到父節(jié)點中,完成后退出中斷進入休眠狀態(tài)。
結語
本文基于ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)井蓋報警器的分布式布控,達到實時監(jiān)控和主動預警。結合GPRS無線通信的特點和優(yōu)勢,設計了與互聯(lián)網(wǎng)融合的智能報警系統(tǒng)。通過Web服務器可實現(xiàn)對城市井蓋的遠程監(jiān)控,并通過數(shù)據(jù)庫完成了數(shù)量龐大的井蓋信息存儲。該系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、低功耗、傳輸穩(wěn)定的特點,達到了井蓋防盜的自動化,讓井蓋丟失帶來的各種隱患問題得以解決,在井蓋防盜領域具有廣闊的應用前景。