劉鵬

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院，重慶401331)

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基于LM3S9B92和Zigbee技術(shù)的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)*

劉鵬*

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院，重慶401331)

摘要:以LM3S9B92為核心設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)城市軌道施工環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，人員定位和設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)總體方案、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)城市軌道施工環(huán)境測(cè)試，該系統(tǒng)各個(gè)功能模塊性能良好，很好的實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位和語(yǔ)音通信，設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:LM3S9B92; Zigbee;嵌入式;軌道交通;安全監(jiān)控系統(tǒng)

軌道交通是解決能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)環(huán)保交通的重要手段，對(duì)解決城市矛盾，改變城市布局，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境和交通綜合治理，引導(dǎo)城市走可持續(xù)發(fā)展之路起到了強(qiáng)大作用。目前，我國(guó)的城市軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展階段，目前我國(guó)25個(gè)城市正在進(jìn)行城市軌道交通的前期工作，總規(guī)劃里程超過(guò)5 000 km，總投資估算超過(guò)8 000億元。國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出加強(qiáng)落實(shí)城市公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，但是我國(guó)地鐵等軌道交通的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)安全等問(wèn)題日益突出［1］。本文以LM3S9B92為核心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Web Server的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)。Zigbee作為新興的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有高容量，高延展性，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜地理環(huán)境下的監(jiān)控領(lǐng)域［2］。本文的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。監(jiān)控中心的電腦終端通過(guò)串口或以太網(wǎng)、LM3S9B92、CAN總線、轉(zhuǎn)發(fā)器等對(duì)工人的安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在發(fā)生緊急情況時(shí)，工人可以通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)上的報(bào)警裝置向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。突發(fā)情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備遭到破壞時(shí)，可以利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自組織特性，通過(guò)人工布置節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)迅速組網(wǎng)，重新恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的功能。本文的技術(shù)突破，可以為軌道交通的施工安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障體系，對(duì)新技術(shù)和交叉學(xué)科的發(fā)展具有積極的意義。

圖1　系統(tǒng)示意圖

1　系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)以LM3S9B92作為核心控制器，包含Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)發(fā)器、CAN總線傳輸和串口或以太網(wǎng)組成［3］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)工人配備一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，在工人所經(jīng)過(guò)的路線上會(huì)沿路放置一些轉(zhuǎn)發(fā)器。工人在移動(dòng)的過(guò)程中身上攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)和不同的轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行通信，把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。轉(zhuǎn)發(fā)器收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀之后，在數(shù)據(jù)幀前面加上轉(zhuǎn)發(fā)器的ID，組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上。和CAN總線相連的LM3S9B92收到CAN總線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀之后，將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成能夠通過(guò)串口或者以太網(wǎng)方式向地上監(jiān)控中心的監(jiān)控電腦發(fā)送。監(jiān)控中心的電腦收到數(shù)據(jù)幀之后，將更新監(jiān)控界面上對(duì)應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)上的對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，當(dāng)環(huán)境參數(shù)值超過(guò)極限值時(shí)，監(jiān)測(cè)中心的電腦也會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。監(jiān)測(cè)中心的電腦將記錄任意時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)，為發(fā)生事故之后對(duì)事故原因分析提供依據(jù)。另外，當(dāng)意外事故發(fā)生時(shí)(如工人摔傷)，工人可以按下其攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)上的求救按鈕，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)中心都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警聲時(shí)，四周的工人將過(guò)來(lái)援助;監(jiān)測(cè)中心發(fā)出報(bào)警聲時(shí)，可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和傳感器的ID號(hào)來(lái)確定其位置和身份。

圖2　系統(tǒng)方案框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件由電源管理模塊、傳感器模塊、無(wú)線射頻模塊和LM3S9B92控制器模塊組成［4］。

本系統(tǒng)電源管理模塊設(shè)計(jì)了2種電源供電方式，5V直流電源供電和3V電池供電［5］。通過(guò)LMlll7－3.3把5 V的直流電轉(zhuǎn)化為3.3 V。此外還有3 V電池電源輸入口。考慮到本系統(tǒng)中定位參考節(jié)點(diǎn)安裝位置的固定性和待定位盲節(jié)點(diǎn)設(shè)備的移動(dòng)性，使用時(shí)根據(jù)各個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)和實(shí)際使用時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以通過(guò)SW-SPDT開(kāi)關(guān)在兩種供電方式之間進(jìn)行切換。對(duì)于待定位的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)設(shè)備，考慮到其移動(dòng)性，主要采用電池供電。而對(duì)于系統(tǒng)中安裝位置固定的參考節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在工作時(shí)不需要移動(dòng)，可以選擇直流電供電并同時(shí)給電池充電，以減少更換電池帶來(lái)的操作不便，當(dāng)發(fā)生意外情況，直流供電線路遭到破壞時(shí)，可以轉(zhuǎn)換為電池供電，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，電源管理模塊使用能量采集技術(shù)延長(zhǎng)電源的使用時(shí)間，可以減少電池所需要的充電的次數(shù)［6－8］。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)傳感器模塊中，城市軌道施工作業(yè)人員攜帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括了環(huán)境參數(shù)采集的電路和報(bào)警電路［9－10］。由于瓦斯的主要成分包括甲烷、一氧化碳，有必要對(duì)這二種氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)，一旦這二種參數(shù)到達(dá)預(yù)定值，報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)給出警告。另外，為了對(duì)城市軌道施工環(huán)境更加了解，我們對(duì)煙霧濃度、溫度參數(shù)也進(jìn)行的采集，監(jiān)測(cè)中心的電腦可以隨時(shí)顯示任意工人所處環(huán)境的這4個(gè)參數(shù)。

表1　傳感器網(wǎng)絡(luò)信息

表1為傳感器的網(wǎng)絡(luò)信息。其中，參數(shù)類(lèi)型包含了所要采集的五類(lèi)環(huán)境參數(shù)。器件類(lèi)型是各個(gè)參數(shù)類(lèi)型所采用的傳感器器件。傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型是在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，用它來(lái)代表參數(shù)類(lèi)型，比如傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型為3，代表此時(shí)傳輸?shù)氖且谎趸紳舛鹊臄?shù)據(jù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)引腳為井下作業(yè)人員攜帶的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與環(huán)境參數(shù)采集電路連接時(shí)所使用的引腳。

本系統(tǒng)無(wú)線射頻模塊采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信［11］。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。城市軌道施工作業(yè)人員不可能一直呆在一個(gè)地方，他可能從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，ZigBee的自組織功能能夠自動(dòng)斷開(kāi)已建的網(wǎng)絡(luò)切換到新的網(wǎng)絡(luò)，從而便于工人從一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。此外ZigBee節(jié)點(diǎn)的主控芯片為CC2530，可完成A/D采樣而無(wú)需增加其它的A/D采樣芯片，這可以縮小傳感器節(jié)點(diǎn)的大小。

本系統(tǒng)LM3S9B92控制器模塊為了進(jìn)行PC機(jī)近距離通信和維護(hù)，可以使用串口通信［12］?；蛘邽榱朔奖氵M(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和維護(hù)，可以使用以太網(wǎng)通信。LM3S9B92支持CAN2.0協(xié)議，通信速率最高可達(dá)1 Mbit/s，支持32個(gè)擁有獨(dú)立標(biāo)識(shí)的消息對(duì)象，因此完全能夠滿足CAN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括Zigbee協(xié)議棧Z-Stack的開(kāi)發(fā)和節(jié)點(diǎn)傳感器程序設(shè)計(jì)兩部分。

在Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，Z-Stack的開(kāi)發(fā)主要包括轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)程序和執(zhí)行各種功能的終端節(jié)點(diǎn)程序開(kāi)發(fā)。Zigbee無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)器不但負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)，而且是Zigbee網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的樞紐。轉(zhuǎn)發(fā)器工作流程如圖4所示。

參考節(jié)點(diǎn)是Zigbee無(wú)線定位系統(tǒng)中已知坐標(biāo)的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，主要作用是擔(dān)當(dāng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由器，它的任務(wù)主要是給待定位的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)提供包含自身位置X，Y坐標(biāo)和RSSI值的信息包。通常情況下，一個(gè)定位區(qū)域具有3個(gè)～8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示，查看參看節(jié)點(diǎn)配置的流程如圖6所示。

本系統(tǒng)盲節(jié)點(diǎn)定位設(shè)計(jì)采用基于RSSI的定位方法。待定位的移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)收集到臨近參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RSSI值和其X，Y坐標(biāo)值后，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鞑p耗轉(zhuǎn)化為距離，之后將其輸入到芯片內(nèi)的定位引擎，再利用三邊測(cè)量的方法計(jì)算出待定位移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)的位置信息［13］。

圖4　轉(zhuǎn)發(fā)器建網(wǎng)和子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程

圖5　參考節(jié)點(diǎn)工作流程

三邊測(cè)量的方法如圖7所示。已知三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A(XA，YA)、B(XB，YB)、C(XC，YC)，以及它們到移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)D的距離分別為dA、dB、dC。那么存在下列方程組:

圖6　查看參看節(jié)點(diǎn)配置

由式(1)可得D(X，Y)的坐標(biāo)為:

在城市軌道施工中，由于無(wú)線信號(hào)的多重反射，會(huì)使得三邊測(cè)量法定位缺乏準(zhǔn)確性。因此，本系統(tǒng)以三邊測(cè)量法為基礎(chǔ)，采用文獻(xiàn)［14］中的錨節(jié)點(diǎn)加權(quán)補(bǔ)償定位算法。該算法利用錨節(jié)點(diǎn)自身的定位功能，通過(guò)加權(quán)質(zhì)心方法獲得定位系統(tǒng)在錨節(jié)點(diǎn)附近的區(qū)域定位誤差，并對(duì)該誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高該區(qū)域盲節(jié)點(diǎn)的定位精度。

圖7　三邊測(cè)量法示意圖

本系統(tǒng)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)了周期采集和睡眠兩種工作模式。在周期采集模式中，網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，當(dāng)采集和發(fā)送完成以后，終端節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)入睡眠模式。節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8　節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集流程

4　測(cè)量結(jié)果及結(jié)論

圖9是Zigbee移動(dòng)終端和轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)物圖，圖10 是Zigbee各個(gè)子節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。本系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程，在城市軌道施工環(huán)境下進(jìn)行。測(cè)量過(guò)程在不同的位置安裝了8個(gè)Zigbee子節(jié)點(diǎn)設(shè)備。在測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)可以搜索到各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，并在網(wǎng)絡(luò)中能夠準(zhǔn)確的傳輸控制指令和傳感器信息。測(cè)量結(jié)果如表2所示。由測(cè)量結(jié)果可以看出，系統(tǒng)最大誤差:0.8 m，符合城市軌道施工定位要求［15，16］。

圖9　Zigbee移動(dòng)終端和轉(zhuǎn)發(fā)器

表2　測(cè)量結(jié)果

通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試我們得到以下結(jié)論，該系統(tǒng)能夠在環(huán)境參數(shù)超過(guò)事先設(shè)定好的上限值時(shí)工人隨身攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)PC機(jī)的監(jiān)控程序也能夠發(fā)出報(bào)警聲，監(jiān)控界面上的超出預(yù)設(shè)值的節(jié)點(diǎn)能夠閃爍。當(dāng)工人按下求救按鈕時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)出求救聲，同時(shí)PC機(jī)上的監(jiān)控程序也能夠收到求助信號(hào)發(fā)出報(bào)警聲并顯示出求救的節(jié)點(diǎn)。經(jīng)城市軌道施工環(huán)境測(cè)試，本系統(tǒng)各個(gè)功能模塊性能良好，很好的實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位和語(yǔ)音通信，設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖10　Zigbee各個(gè)子節(jié)點(diǎn)

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劉　鵬(1977－)，男，漢族，山東威海人，重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，副教授，博士，從事計(jì)算機(jī)通信技術(shù)方面研究，pengliu789@126.com。

Design and Implementation of Intelligent Nursing Bed System Based on Ethernet*

CHANG Guoquan*，HOU Guifa，GUO Xiaobo
(Department of Computer Science and Information Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang He’nan 455000，China)

Abstract:In order to provide better care and nurse for the old，disabled people，reduce the working strength of the nursing staff and improve the nursing efficiency and quality，using STM32 microcontroller and ENC28J60 Ethernet chip，an intelligent nursing bed system with network function was designed.By collecting and processing sensor signals of nursing bed，STM32 microcontroller completed automatic urinal，left and right turning，interactive operation，automatic alarm，network management，centralized supervision function and so on.After being tested，the system was proved to be safe and reliable，simple operation，convenient management and good results were obtained.

Key words:nursing bed; STM32 microcontroller; ENC28J60; uIP protocol stack; ACS712ELC

doi:EEACC:6210C10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.035

收稿日期:2014－11－20修改日期:2014－12－10

中圖分類(lèi)號(hào):TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0887－06

項(xiàng)目來(lái)源:重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1402909);重慶市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度重點(diǎn)課題項(xiàng)目(2014－GX－055)