北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 趙士鵬

基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 趙士鵬

針對當(dāng)前城市地下管網(wǎng)井蓋因丟失、損壞等造成的“城市陷阱”問題，提出了ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的智能井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。利用觸發(fā)器端采集各個井蓋的狀態(tài)信息，并將信息發(fā)送給集控器端，進(jìn)而通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息實(shí)時傳送至監(jiān)控中心端。既實(shí)現(xiàn)了井蓋狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，還能使監(jiān)控中心工作人員通過平臺能夠第一時間了解到井蓋的故障信息，以便及時對故障進(jìn)行處理，確保井蓋處于良好狀態(tài)。該系統(tǒng)使得井蓋管理由過去的被動式變成主動管理，由人力巡查變?yōu)殡娔X監(jiān)控，大大提高了城市井蓋管理效率，減少了“城市陷阱”造成的損害。

ZigBee；GPRS；智能井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)也得到了持續(xù)高速的發(fā)展。城市中給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、通信等各類市政公用設(shè)施日益增加。城市路面的各類管線設(shè)施的井蓋也相應(yīng)的不斷增多。 檢查井蓋成為市政工作的重要內(nèi)容，但是由于井蓋數(shù)量龐大、分布范圍廣泛，當(dāng)井蓋發(fā)送破損、丟失、錯位等問題時往往得不到及時的處理，以至于成為馬路“奪命陷阱”，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命安全。由于近年來“奪命井蓋”事件時有發(fā)生，提高地下管網(wǎng)井蓋的管理力度，成為市政管理部門面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

針對城市“奪命陷阱”問題，本文設(shè)計了基于ZigBee和GPRS的智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，利用無線傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)井蓋的數(shù)字化管理。利用先進(jìn)技術(shù)來解決井蓋管理問題。做到問題早發(fā)現(xiàn)、早解決，確保井蓋處于良好狀態(tài)，最大限度的保障人民群眾的人身安全。

1. 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信的有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)按照功能可分為井蓋觸發(fā)器（ZigBee終端節(jié)點(diǎn)+傳感器）、集控器（ZigBee協(xié)調(diào)器+GPRS數(shù)傳模塊）及監(jiān)控中心（GPRS數(shù)傳模塊+監(jiān)控軟件）等三個部分。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是井蓋觸發(fā)器實(shí)時采集井蓋的狀態(tài)信息，并發(fā)送給集控器，集控器再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將井蓋的實(shí)時狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控中心。當(dāng)觸發(fā)器檢測到井蓋丟失、移位（角度發(fā)生變化）等情況使監(jiān)管中心能夠在第一時間內(nèi)了解到井蓋的狀態(tài)信息，并將信息發(fā)送給到移動終端以便維修人員及時到達(dá)現(xiàn)場解決故障，實(shí)現(xiàn)了城市井蓋管理的智能化管理。智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1觸發(fā)器設(shè)計

井蓋觸發(fā)器是安裝在井蓋上的模塊，主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)和傾斜傳感器、電源模塊及功能按鍵燈部分組成，它的功能是檢測井蓋的狀態(tài)信息（井蓋的傾斜角度），一旦井蓋狀態(tài)發(fā)生改變，觸發(fā)器就會把狀態(tài)信息及井蓋編號、位置坐標(biāo)、責(zé)任單位、責(zé)任人等信息一并發(fā)送給集控器。傾斜傳感器采用MEC原裝SW-460DQ傾斜開關(guān)，用來檢測物體角度的變化，林敏度高。該傾斜傳感器模塊的接口采用三線制—VCC、GND和D0。其工作原理是模塊的數(shù)字輸出端D0直接與ZigBee模塊的I/O口相連，當(dāng)模塊在無傾斜或者傾斜角度達(dá)不到設(shè)定閾值時，D0輸出高電平，當(dāng)傳感器傾斜角度超過設(shè)定閾值時，D0口輸出低電平。在本系統(tǒng)中將傾斜角度的設(shè)定閾值設(shè)置為15度，ZigBee系統(tǒng)設(shè)置為每5秒鐘檢測一次I/O口的電平狀態(tài)，當(dāng)檢測的低電平時觸發(fā)器就會向集控器發(fā)送信息。觸發(fā)器模塊的功能按鍵是用作維修人員檢修時做正常開啟設(shè)置的。

由于觸發(fā)器是在檢測到井蓋狀態(tài)發(fā)生改變后才開始作用，平?？梢蕴幱谛菝郀顟B(tài)來降低觸發(fā)器的功耗，因此可以使用電池供電。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

2.2集控器設(shè)計

集控器是位于監(jiān)測區(qū)域的中心位置，它的作用主要有ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)和觸發(fā)器信息的中轉(zhuǎn)發(fā)送等。主要是由ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、電源模塊等組成。這里面協(xié)調(diào)器的功能是組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)、收集觸發(fā)器發(fā)送過來的信息，通過轉(zhuǎn)換，最終通過GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。集控器中的ZigBee模塊和GPRS模塊通過MAX232串口連接構(gòu)成通信網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。由于兩個模塊之間是通過串口進(jìn)行通信的，因此信息在兩個模塊之間是透明傳輸?shù)?，無需進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換就可完成信息的傳輸。集控器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于本系統(tǒng)中集控器需要控制周圍上百個觸發(fā)器，需要始終處于喚醒狀態(tài)，所以對它采用太陽能電池供電。以保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時檢測。

圖3 集控器結(jié)構(gòu)圖

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)工作流程

觸發(fā)器系統(tǒng)上電后完成一系列初始化操作，開始對井蓋的傾斜度進(jìn)行檢測，根據(jù)傾斜傳感器的輸出口D0的電平的高低判斷井蓋的角度變化。當(dāng)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)檢測到D0口輸出低電平時，即可判斷井蓋角度發(fā)生變化，觸發(fā)器被觸發(fā)，接著向集控器發(fā)送檢測信息，信息經(jīng)過集控器終端協(xié)調(diào)器透明的傳輸?shù)紾PRS模塊，最后傳到監(jiān)控中心的上位機(jī)。

3.2上位機(jī)顯示

遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)軟件采用VC6.0軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，上位機(jī)顯示界面根據(jù)GPRS模塊功能進(jìn)行開發(fā)，所顯示內(nèi)容包括來自集控器轉(zhuǎn)發(fā)的檢測信息的顯示框、發(fā)送號碼、IP地址等。根據(jù)GPRS模塊的功能，只要在IP地址框輸入上位機(jī)的IP地址，就能實(shí)現(xiàn)集控器中的GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)之間的通信功能，這樣就能收實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示接收到的參數(shù)數(shù)據(jù)信息。

4. 結(jié)語

本文設(shè)計了基于ZigBee和GPRS的智能井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將ZigBee無線傳感網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩級網(wǎng)絡(luò)組合起來，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，將傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)充分應(yīng)用到井蓋系統(tǒng)的管理中去，實(shí)現(xiàn)了對分布在城市各區(qū)域的地下管網(wǎng)井蓋的管理的遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控，使得井蓋管理工作由過去的被動式變成主動管理，通過電腦監(jiān)控來保障井蓋安全，不僅節(jié)約人力，而且會大大提高管理的效率。本系統(tǒng)設(shè)計簡單、高可靠性，低成本的特點(diǎn)使得該系統(tǒng)可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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