ZigBee技术在城市管网监测系统中的应用

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（1.安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455002；2.天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222）

1 引言

城市管网是一个城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。然而它所具有的隐蔽性、复杂性以及分布的广泛性等特点导致了管网的实时运行工况难以测量和集中监控。因而一旦事故发生，调度人员无法及时制定合理有效的抢修方案。目前我国许多城市对管网系统运行参数的采集仍采用专人定期定点巡检和抄录，定期向其所属的调度中心报告运行数据的方法。这种方法收集的信息数据量少、速度缓慢，调度部门无法实时获取管网动态运行参数，也不能及时发现管网运行中出现的故障，影响了管网系统的安全可靠运行。

针对上述问题，本文提出了一种基于ZigBee技术和无线传感器网络的城市管网监测系统，通过将ZigBee协调器节点与GPRS模块节点绑定，增大传感器节点的布置密度，从而提高管网监测的实时性、全面性和精确性。

2 系统总体设计

2.1 系统总体结构

城市管网监测系统主要由3部分构成：上位机监控中心、GPRS无线通信网络和现场无线传感器网络。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall system structure

2.2 系统总体设计方案

由于城市管网分布范围广，空间跨度大，为了能够系统而全面地监测整个管网内介质的压力和流量参数，我们将整个城市的管网系统划分为多个区域，在每个区域内构建一个独立的ZigBee无线传感器网络。

ZigBee网络和ZigBee网络之间相互独立，互不通信，只有网络内部节点可以相互交换数据。每个独立的ZigBee网络都采用Mesh网状结构，由一个ZigBee网络协调器和多个传感器节点组成。大量的传感器节点安装在城市管网的管线上，负责采集管线内自来水、燃气和蒸汽的压力及流量参数。每个传感器节点都是路由节点，可以自由连接通信，数据沿着这些传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经多跳路由后到达ZigBee网络协调器。

ZigBee网络协调器和GPRS模块绑定，负责建立ZigBee网络和管理网络，并接收传感器节点的数据上报，将其进行融合处理后传给GPRS模块，由GPRS模块经由GPRS通信网络和Internet网络将数据上传至监控中心计算机。ZigBee网络协调器在此传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。控制中心通过Internet网络获取现场的相关信息，实现对现场的实时监控。

3 ZigBee技术和无线传感器网络的优势

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、低速率无线网络技术，是一种双向传输的无线通信标准。它依据IEEE 802.15.4标准，在成百上千个微小的传感器节点之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它的通信效率很高。用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低，ZigBee具有高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点，这些优点使得ZigBee和无线传感器网络完美地结合在一起。ZigBee协议是由IEEE 802.15.4标准的物理层和MAC层再加上ZigBee的网络层和应用支持层所组成。基于ZigBee协议的无线传感器网络中的节点按功能可分为：网络协调器（coordinator）、路由器（router）、终端设备（end device）。

无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）是由一组传感器节点通过无线通信方式组成的网络，网络中大量的传感器节点协同工作，采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，这些信息可由自组织的无线通信网络以多跳中继的方式传送到监控中心，使监测者能够实时准确地获取监测区域的详细信息。基于ZigBee技术的无线传感器网络具有如下特点：

1）通信可靠性高，数据安全。ZigBee采用了MAC层完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，通信可靠性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES－128；

2）设备省电，功耗极低。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可确保2节普通电池支持长达6个月到2a左右的使用时间；

3）时延短，设备接入网络快。通常时延在15～30ms之间，非常适合实时监控应用；

4）成本低廉，网络容量大。ZigBee协议是免专利费的，可有效降低设备成本；网络容量庞大，每一个网络多达65 536个网络节点，适用大规模无线传感器网络。

4 系统硬件设计与实现

4.1 ZigBee无线传感器节点设计

ZigBee无线传感器节点是网络的基本单元，节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量。其主要作用是对自来水、燃气、蒸汽流量和压力信号的采集和处理，并将采集的数据发送给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给网络协调器或更靠近网络协调器的节点。无线传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元组成。从节能和系统集成的角度考虑，我们选择了使用CC2430无线单片机为硬件核心来实现传感器节点的功能。传感器节点硬件结构如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构Fig.2 Hardware structure of sensor node

CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee无线单片机，它是以经典的8051微处理器为内核的无线单片机，也称为“射频SOC”。它以其优异的无线性能、超低功耗、超低成本，在单片机技术领域开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代。CC2430在7mm×7mm的芯片上集成了可编程闪存以及通过认证的ZigBee TM协议栈、ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU（8051），具有128kB可编程闪存和8kB的RAM，还包含14位模／数转换器（ADC）、看门狗定时器等。目前TI提供CC2430 ZigBee2006全套协议栈的免费下载。

CC2430将全部的ZigBee／802.15.4需要的RF前端电路完全集成到了单片机内部，所以非常适合用来构建微型化的无线传感器节点，实现真正的无线传感器网络节点单芯片解决方案。

无线传感器网络上电运行后，CC2430首先申请加入网络，成功后定时启动A／D转换器对压力和流量信号进行转换，转换后的结果送数据传输单元RF前端，经过天线进行发送。

4.2 ZigBee网络协调器节点设计

ZigBee网络协调器节点的主要功能是接收传感器节点发送的数据，处理后上传给监控中心。网络协调器节点的处理能力、存储能力和通信能力比较强，它一方面通过射频模块与传感器网络相连接，另一方面通过GPRS通信模块与Internet外部网络连接。实现两种协议的直接转换，接受监测中心的监控任务，把收集的数据发送到与Internet网络相连的监测中心。ZigBee网络协调器节点主要由射频收发模块、AVR单片机、存储器、GPRS通信模块、电源管理模块等部分组成，如图3所示。

图3 网络协调器节点硬件结构Fig.3 Hardware structure of coordinator node

ZigBee网络协调器的射频收发模块负责与ZigBee传感器节点进行通信，接收传感器节点上传的压力和流量数据。射频收发模块的核心采用CC2420芯片，它是TI公司推出的第一款适用于ZigBee产品的RF器件，利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率可达250kB／s，可以实现多点对多点的快速组网，最远传输距离可达200m。处理器模块与无线收发模块之间的连接非常简单，CC2420使用SFD，FIFO，FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据的状态，处理器通过SPI接口与CC2420交换数据。微处理器是网络协调器的核心，决定着网络协调器的性能，因此我们采用了Atmel公司的ATmega128L做为网络协调器的微处理器。

GPRS模块采用法国Wavecom公司Q2406A通信模块，实现数据的远程传输功能。Q2406A整合了GPRS模块与标准接口，提供语音通信和短消息方式通信的功能，完美地支持网络连接及无线上网。Q2406A内建TCP／IP协议，提供安全、透明的传输信道，大大降低了设计的难度，同时也提高了微处理器处理其他数据的能力。Q2406A与微处理器的连接非常简单，使用标准串口直接与微处理器的串口连接。它支持标准的AT命令，通过AT命令实现GPRS网络的附着、分组数据协议激活、Internet的连接，成功获得IP地址后便可以开始与远程监控中心通信，这样就建立了网络协调器同Internet的通信链路。

5 系统软件设计

软件设计包括上位机软件和下位机软件的开发设计。上位机监控系统的软件架构采用基于面向TCP／IP协议的Socket通讯机制的C／S结构，结合SQL server 2000数据库，采用VC＋＋编写，主要实现数据的接收、显示，同时对接收的数据进行实时分析后存入数据库。下位机软件主要实现了GPRS模块的数据收发，无线传感器节点的数据采集及发送，ZigBee网络协调器节点与GPRS模块之间的数据通讯。

5.1 基于动态域名解析的GPRS模块同监控中心的通信实现方法

ZigBee协调器节点通过GPRS模块连接GPRS网络，然后再连接到Internet公网，监控中心计算机通过Internet公网与GPRS模块建立通信。由于目前IP地址资源紧张，监控中心计算机没有固定的IP，而是采用ADSL上网方式，每次上网使用的是ISP（互联网服务供应商）提供的动态IP。同时数据采集现场的GPRS模块是使用CMNET接入Internet网，其IP地址也是动态的，因此二者无法通过IP地址建立通信。为解决此问题，我们采用了动态域名解析的方式。

采用动态域名解析方案，首先为监控中心计算机申请一个域名，然后这个域名写入各GPRS模块中。监控中心计算机接入Internet后，与DNS服务器进行连接，向DNS服务器报告当前计算机获得的动态IP地址。GPRS模块上电后，先采用域名寻址方式连接DNS服务器，最终找到监控中心计算机的公网动态IP，这样就可以实现监控中心计算机同现场GPRS模块之间的通信。当前国内有许多DNS服务商提供动态域名解析服务，采用的是花生壳动态域名解析服务软件。我们在网域科技网上为监控中心计算机申请了自己的固定域名，并通过花生壳客户端软件将其与动态IP地址绑定。

图4为启动花生壳客户端后显示的域名诊断结果。图4中“域名IP地址指向”后面的地址就是域名解析后的监控中心动态IP地址。

图4 动态域名解析实现Fig.4 Dynamic DNS implementation

限于篇幅，对于上位机的软件设计，这里只给出Socket通信模块的实现结果，见图5。

图5 Socket通信模块Fig.5 Socket communications module

5.2 无线传感器和网络协调器节点软件设计

对于无线传感器网络中的各个无线传感器节点，采用了IAR编译环境进行开发，程序中实现的主要是传感数据的定时采集、定时发送、数据的转发及路由功能。而ZigBee网络协调器节点是以ATmega128L为核心的系统，所以采用了ICC AVR进行开发。ZigBee无线传感器节点和网络协调器节点的程序框图如图6所示。

图6 传感器节点和网络协调器节点程序框图Fig.6 Sensor nodes and coordinator node block diagram

6 系统测试结果及分析

为验证本监测系统的性能，进行了如下实验：将无线传感器节点安装在室外的实验用自来水管道上，网络协调器放置于距离传感器节点大约100m左右的位置，监控中心设在实验室内。同时在试验管道上安装一个带标准RS232接口的数据采集模块，直接将采集到数据传输给现场的笔记本电脑。通过对比2套系统采集到的数据，从而判断无线监测系统的性能。

试验中对管网的压力和流量数据进行实时采集和传输。实验结果如表1所示。

表1 数据对比表Tab.1 Data contrast

从测试结果可以看出，基于ZigBee技术的管网监测系统具有较高的通信稳定性和数据可靠性。

7 结论

本文提出的利用动态域名解析实现GPRS模块同监控中心计算机建立通信连接的方法不仅节省了IP地址资源，而且使监控中心能够更加方便和灵活地使用GPRS网络。基于ZigBee技术和GPRS通信网络的城市管网无线监测系统较好地满足了城市管网的实时监测要求，保证了管网数据的实时性、可靠性和完整性。实践证明，ZigBee技术同GPRS网络相结合是远程监控系统首选的无线通信方式。

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