一种基于ZigBee无线网络的智能安全监控系统设计

引言

城市道路上的井盖经常会出现破损或丢失，这样会在路面上形成陷阱，对过往车辆和行人造成危险。全国特大型城市各类井盖总数量均在100万个以上，大型城市在80万个以上，中型城市在50万个以上。据统计，一般城市井盖年被盗数量超过总量的1%左右。井盖产生的安

全隐患包括：井盖被盗，通过井盖入口盗窃地下电线缆，影响供电和通信;由于下水道未按时清淘造成淤积，长时间形成沼气浓度过高易引发中毒、爆炸等危险事件。

1 系统概述

图1为系统工作原理图，系统组成为包含井盖报警器的ZigBee网络、嵌入式网关、GPRS短信模块、Web服务器，井盖报警器之间采用ZigBee无线通信技术，每个报警器作为ZigBee网络中的节点，通过固定的组网方式形成无线传感网络。报警器以接力的方式将数据传到ZigBee网络的协调器节点，协调器节点负责接收所有网络中的报警器节点信息。

协调器节点和嵌入式网关之间交互数据，将ZigBee网络中的各个报警器节点信息汇聚传递到嵌入式网关，同时将用户查询和设置命令下发给ZigBee网络。通过采集数据嵌入式网关能够对各个井盖报警器状态和位置进行显示和存储。嵌入式网关同时还起到实时报警和上传数据到网络的作用，GPRS模块主要负责GPRS模块接收井盖报警器传来的报警信息和井盖编码信息，并通过GPRS电路将其转发到具有固定IP地址的Web数据库服务器中，实现报警数据的上传。市政设施管理处以及自来水厂等政府机构可以通过网络查询自己单位的井盖状态，是否需要维护，并同时发送短信给检修人员，实现及时维修和处理。

工作原理：当井盖被打开后，井盖报警器上面的红外感应传感器感知光线产生报警，将报警信息通过ZigBee网络传输，传到嵌入式网关中。嵌入式网关处理数据，显示报警位置，通过GPRS模块将信息统一发送至固定IP的服务器上，用户通过Web服务器中心可以查询每个井盖的安全情况。同时，服务器中心通过互联网将消息发送给每个附近的维修单位，达到实时安全监管的效果。GPRS模块会将井盖的位置和情况发送给周边的检修人员，通知检修人员及时修理。

2 系统组成

2.1 井盖报警器节点

图2所示为井盖报警器节点结构图，包含ZigBee控制器、蜂鸣器、高亮度LED、气体传感器、光敏传感器。

其中，负责组成网络的ZigBee控制器采用TI公司生产的针对IEEE 802.15.4应用的片上系统CC2530，内部集成了工作在2.4 GHz的射频发射器和低功耗的8051MCU内核。

井盖报警器节点的原理为：通过嵌入式压电供电模块为ZigBee控制系统供电，通过传感器检测井盖安全状况。当井盖被盗时，光敏传感器感知光线并将报警信息和地址编码传输到邻近的ZigBee路由器中;当沼气浓度过高时，气体传感器感知浓度，将报警信息和地址编码传输到邻近的ZigBee路由器中。

2.2 嵌入式网关

嵌入式网关采用三星公司的S3C6410处理器，主频达到667 MHz。陔网关具有较好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作为核心扩展设计了一个ZigBee网关，采用Linux操作系统，移植TCP/IP协议，将网络故障下的信息存储在FLASH芯片中。项目中的网关很好地克服了传统网关架构下ZigBee传输速率较慢的瓶颈，大大降低了协议转换过程中的资源和处理时间消耗。该网关设计思路新颖，具有较强的实用性。界面简单易操作，通信效果良好，能够通过网络远程监测井盖安全的实时变化，为市政提供了有效、及时的信息。

2.3 Web服务器

利用PC机建立Web服务器，对无线传感网络中的数据进行存储和显示，同时通过网络连接至政府部门，方便各个单位查询井盖情况。在服务器设计中，前端采用ASP.NET开发页面，后端采用ADO.NET操作数据库。每个报警器节点数据传输过来到服务器后，服务器通过SQL数据库进行接收、处理和存储。主要信息包含：井盖节点位置信息、安全状况信息、实时监控信息、历史监控信息。Web服务器根据设计功能需求，主要分为登陆界面、井盖分布位置界面、井盖安全状况界面、历史数据等界面。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

3.1.1 ZigBee模块

ZigBee网络中模块有三种类型：协调器、路由器和终端节点。ZigBee模块采用TI公司的射频模块CC2530，采用IEEE802.15.4协议，集成了RF和8051 MCU内核，具有256K的闪存，工作频率为2.4 GHz，通信距离可以达到100 m，具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。

3.1.2 光敏传感器

光敏传感器采用光敏二极管，光敏二极管响应范围适用于可见光范围，红外光全截止，频谱范围近似人眼。通过ZigBee控制器的A/D模块采集光敏二极管上面的光线强度，当井盖损坏或被盗后，光敏二极管检测光线发生变化从而报警。气体传感器采用MH-440V/D红外气体传感器，通过测定气体成分的吸光度，就能测定气体成分的浓度，气体传感器主要负责检测下水道沼气是否超标。

3.1.3 GPRS模块

GPRS模块选用SIM900A模块，该设备采用高性能处理器，内嵌TCP/IP协议栈，保证数据可靠传输。GPRS模块主要负责接收井盖报警器传来的报警信息和井盖编码信息，并通过GPRS电路将其转发到具有固定IP地址的Web数据库服务器中，实现报警数据的上传。同时，发送短信给维修人员，实现及时维修和处理。

3.2 系统软件设计

3.2.1 系统工作流程

ZigBee井盖报警系统的工作流程如图3所示。ZigBee井盖报警器正常工作状态时处于休眠状态，当光线和气体检测超出告警阈值时，唤醒ZigBee控制器，读取井盖基本信息并进行ZigBee网络的无线传输，将数据传递给网络中邻近的节点，最后传输给嵌入式网关进行处理。嵌入式网关控制GPRS模块将信息发送给Web服务器，同时发送报警短信给维修人员，Web服务器通过数据库将信息存储。

3.2.2 ZigBee协调器

ZigBee网络协议采用TI公司的Z-STACK，协议栈为ZigBee 2007。ZigBee 2007是ZigBee联盟开发的一种低成本、极低功耗的双向无线通信标准，是TI公司专门为CC2530芯片设计的协议栈。本系统协议设备以协调器和路由器为主，软件设计主要包含协调器节点软件和路由器节点软件。

ZigBee协调器的软件流程图如图4所示，ZigBee网络启动时会进行设备初始化，通过协调器设置网络唯一的PAN ID，设置协调器的地址。进入信道扫描阶段，判断现在是否有相同PAN ID的网络，如果存在的话就选择现有协调器节点发送入网请求。如果不存在网络，协调器在信道扫描成功后会排列信道，并选择出最优通道，确定网络ID，建立网络。网络建立好以后，协调器会进入无线侦听的阶段，如果有新设备节点加入网络，协调器会按顺序给其分配网络地址。如果有串口数据接收，协调器会进入处理串口数据的阶段，主要负责嵌入式网关发送的控制命令。

3.2.3 ZigBee路由器

报警系统中的井盖报警器作为ZigBee网络中的路由器，主要负责报警数据采集和中继传输。通过配置CC2530的ADC控制器开始数据的采集，设置A/D转换的速率和读取数据时间间隔。路由器的软件流程图如图5所示，路由器节点上电后进行软硬件的初始化，扫描网络是否存在，选择符合的PAN ID网络加入，成为网络中的子结点。

路由器加入网络后处于休眠状态，当有告警中断产生时，唤醒CPU并进入中断处理函数，中断处理主要包含对数据的采集和发送，将报警器的传感器数据采集打包发送到父节点中，完成后退出中断进入休眠状态。

结语

本文基于ZigBee网络实现井盖报警器的分布式布控，达到实时监控和主动预警。结合GPRS无线通信的特点和优势，设计了与互联网融合的智能报警系统。通过Web服务器可实现对城市井盖的远程监控，并通过数据库完成了数量庞大的井盖信息存储。该系统利用ZigBee网络覆盖范围广、低功耗、传输稳定的特点，达到了井盖防盗的自动化，让井盖丢失带来的各种隐患问题得以解决，在井盖防盗领域具有广阔的应用前景。