基于无线通讯的城市窨井远程综合监控数字化信息系统

解兆延，张延波，徐文青，张琳，周广旭

(山东省科学院自动化研究所，山东济南250014)

城市井盖的丢失一直是令市政部门和相关企业非常头疼的问题，不仅给人员、车辆造成重大安全隐患，而且井下的线缆和设备的丢失，极易导致通讯、电力以及供水供气中断，给企业和居民造成巨大损失［1］。无论是通讯公司的线缆井、自来水公司的阀门井盖，还是市政管理处的雨水井箅、污水检查井盖，每套价值均为数百元，进入井下盗窃线缆及设备的事件时有发生。据此估算，每年济南市仅这些设施丢失造成的直接经济损失就达数百万元，而且对市民人身安全构成重大威胁。如果延伸到全国各大中城市，其造成的经济损失和人员伤害更是难于估量。所以做好城市窨井井盖的防盗与监控，及时掌握其现状信息，对城市建设和管理显得尤为重要。

目前，国内已有几家公司开展相关产品的研发工作。如长沙高新开发区玺天科技开发有限公司研发的“信号旗井盖防盗系统”［2］，连云港溢瑞科技有限公司的“电力井盖远程监控系统”［3］，但这些系统普遍存在成本高，传输系统不稳定等问题。本系统结合ZigBee、GPRS、GIS和WSN等技术，采用ZigBee无线网络和GPRS无线网络两级网络结构，解决了上述系统可靠性低、投资成本和运营成本过高等问题。

1 系统概述

1.1 系统结构

本系统包括防盗井盖、无线通讯网关和数字化信息系统三部分，具体结构如图1所示。

1.2 系统特点

(1)系统综合利用GPRS网络、ZigBee网络技术、GIS地图和WSN技术等高科技手段，将整个系统融入到城市信息化系统中，实现数据共享;形成一个成熟的城市窨井井盖远程防盗监控及数字化信息系统。

(2)主动预警和报警。对窨井的环境状态和窨井井盖的状态进行实时监控，并通过ZigBee和GPRS组成的无线传输网络发送预警和报警信息［4］。

(3)实时信息报警。当监控中心数据库接收到预警和报警信息时，数字化信息系统通过短信息的方式，将信息实时发送到窨井相关负责单位和负责人。

图1 系统结构总图Fig.1 System structure diagram

2 系统各部分设计

城市线缆井远程防盗监控及数字化信息系统由三大部分组成即防盗井盖、无线通讯网关和数字化信息系统。

2.1 防盗井盖

防盗井盖主要由遥控器、送电设备、受电器、控制系统和井盖电动锁构成，结构如图2所示。

防盗井盖控制系统采用DIGI公司的基于ZigBee协议的无线收发模块XBee-Pro［5］，该模块为即插即用方式，模块设计满足 IEEE802.15.4 协议标准，工作在2.4 GHz。在网络性能方面，具有DSSS(直接序列扩频)功能，可以组成对等网、点对点和点对多点网络［6］。XBee-Pro模块的基本性能参数如下 :发送功率100 mW，接收灵敏度－100 dBm，室内传输距离100 m，室外传输距离1 500 m，RF数据传输速率250 kb/s;在3.3 V电源下，发送电流215 mA，接收电流 55 mA［7］。

控制系统的MCU选用FREESCALE公司的8位单片机MC9S08AW60，这是一款高性能的8位微控制器，是首个能支持5 V基于高性能HCS08核系列成员。该单片机包含 60 kB 的 FLASH 存储器，2 kB RAM，A/D，2 个 SCI、SPI、IIC 等，具有不同的引脚、封装及温度范围［8－9］，见图3。防盗井盖控制系统采用蓄电池供电，平时处于低功耗的休眠状态，可通过定时唤醒或外部中断唤醒。这样既可以满足系统的实时性，也可以最大限度地降低系统的功耗。当井盖外送电装置给井盖电动锁具送电时，同时给井盖控制系统的蓄电池供电。

图2 防盗井盖结构图Fig.2 Structure diagram of an anti-theft manhole cover

防盗井盖的主要功能包括两个部分，即打开和关闭井盖以及监测井盖状态及窨井内的环境情况。电动锁具在井盖的内侧与控制单元连接，控制单元通过基于ZigBee协议的无线通讯方式与遥控器或其他井盖控制单元或无线通讯模块配合，由遥控器或远程遥控开关井盖。井盖电动锁具的电源由井盖外送电装置提供，以防止远程误操作，每个井盖对应一个唯一的编码。当发现不是经遥控器发出信号打开的井盖，认为是非法侵入，报警信号经其他控制单元或无线通讯模块传至数字化信息系统;没有防盗装置的井盖，可在井口或井座上安装位移传感器，当发生井盖移动时，该传感器发出信号送至无线通讯模块，由无线通讯模块通过ZigBee无线传感器网络送至GPRS网络，从而将信息传送至数字化信息系统。

图3 控制系统框图Fig.3 Block diagram of the control system

2.2 无线通讯网关

无线通讯网关由无线通讯模块、GPRS通讯模块、供电模块和单片机处理器模块组成。

无线通讯模块采用DIGI公司的XBee-Pro模块。该模块一方面负责与井盖的数据传输，一方面通过单片机处理模块与GPRS模块进行数据交互。

GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块来实现，该模块是一个专门为中国大陆市场设计的双频GSM/GPRS模块，工作频段为:EGSM900 MHz和 DCS1800 MHz。SIM 900A支持 GPRSmulti-slot class 10/class8(可选)和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3，CS-4。SIM900A采用省电设计技术，在SLEEP模式下电流只有1.0 mA。其内嵌TCP/IP协议，在数据传输方面非常有用［10］。SIM900A的作用是负责与监控中心进行数据传输。

供电模块负责为整个无线通讯网关供电。单片机采用FREESCALE公司的8位处理器MC9S08AW60，主要负责XBee-Pro模块和SIM900A模块间的数据交换，详见图4。

无线通讯网关主要功能是将ZigBee技术和无线传感器网络应用到线缆井防盗监控系统中，对井盖状态甚至可燃性气体、温湿度或井下设备状况等进行数据采集，由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到井外的GPRS网络终端，再由GPRS网络发送至数字化信息系统，能够弥补有线设备的缺陷。

整个网络由基于ZigBee协议的无线网络和GPRS网络形成自组网络。某个井盖的数据可以通过多跳中继方式发送到井外GPRS网络终端，再通过GPRS网络终端发送到数字化信息系统上，实现实时监控［11－12］。

图4 无线通讯网关结构框图Fig.4 Block diagram of a wireless communication gateway

2.3 数字化信息平台

该信息平台的主要功能是在线实时检测窨井井盖状态以及窨井环境信息(温度、湿度、可燃性气体浓度)。该平台一般建立在市政管理部门，通过监控计算机接收GPRS网络的报警和其他相关信息并与GIS电子地图结合，对各辖区内所属的井盖防盗进行统一指挥调度处警和对工程维护实行授权管理。

为了满足系统的实时性、可靠性，保证操作界面的友好，系统主要采用了以下技术:(1)以Mapx5.0为GIS平台，支持监控窨井井盖以电子地图为媒介进行可视化高效管理;支持监控窨井井盖异常告警、短信报警功能;(2)以SQL SERVER2005作为后台数据库，采用ADO访问技术，保证了海量数据的安全存储与快速查询功能［13］;(3)基于GPRS网络数据通信，采用多线程处理技术，保证了系统的实时性;(4)多视觉显示监控对象的属性参数，保证数据报表简洁明了，软件界面友好、操作便捷、运行稳定。

整个数字化信息系统由线缆井实时信息子系统、报警及处理子系统、线缆井用户信息子系统、管理部门及人员信息子系统、数据发布及短信子系统和系统管理子系统构成，如图5所示。

图5 信息化系统结构图Fig.5 Structure diagram of the information system

3 结论

目前该系统的研发工作已基本完成，正在进行功能样机的现场测试，测试结果表明该系统能够达到系统设计的要求，实现对城市窨井井盖和窨井内环境状况的监测，后续将在系统信息传输的可靠性上作进一步的完善和改进。该项目不仅可以填补我市在窨井防盗及管理信息化方面的空白，减少和杜绝经济损失和人员伤害，而且能够提高我省和我国各大中城市的市政管理水平，丰富城市数字市政建设的内容，真正做到市政管理资源的合理应用，提升城市的形象和竞争力。

［1］李向红.城市路面井盖管理问题探讨［J］.市政技术，2009，27(6):560 －563.

［2］长沙高新开发区玺天科技开发有限公司.井盖防盗报警器［EB/OL］.［2012－06－22］.http://www.xitiantech.com/Products.asp?art_ID=6.

［3］连云港溢瑞科技有限公司.电力井盖远程监控系统［EB/OL］.［2012－6 －22］.http://www.lygyr.com/page02.html.

［4］徐培龙，叶敏，徐建，等.基于ZigBee组网技术城市窨井实时监测系统［J］.自动化与仪器仪表，2011(4):65－67.

［5］王静霞.一种与 ZigBee/802.15.4协议兼容的 RF 模块 XBee/XbeePro及其应用［J］.电子工程师，2007，33(3):24 －27.

［6］湛江书，谢晓佳，冯发维.基于Xbee-Pro的矿井安全检测与监测系统的设计［J］.重庆工商大学学报:自然科学版，2011，28(2):207－211.

［7］武永胜，王伟，沈昱明.基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计［J］.电子测量技术，2009，32(11):121－124.

［8］倪肖.飞思卡尔 MC9S08AW60最小系统设计与实现［J］.软件导刊，2010，9(5):83－86.

［9］孟德军，林志贵，钟晴晴.基于AW60的温度采集系统的设计与实现［J］.苏州大学学报:工科版，2010，30(2):6－11.

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［12］高汉荣，冯冬芹.工业无线网络的现状及发展趋势［J］.中国仪器仪表，2008(S1):87－89，95.

［13］肖军，储海燕.VC环境下数据库访问技术的比较分析［J］.西安航空技术高等专科学校学报，2012，30(1):69－71.