基于LM3S9B92和Zigbee技术的城市轨道施工安全监控系统*

刘鹏

(重庆电子工程职业学院通信工程学院，重庆401331)



基于LM3S9B92和Zigbee技术的城市轨道施工安全监控系统*

刘鹏*

(重庆电子工程职业学院通信工程学院，重庆401331)

摘要:以LM3S9B92为核心设计了一种基于Zigbee无线传感器网络的城市轨道施工安全监控系统，可以实现城市轨道施工环境参数监测，人员定位和设备远程控制等功能。根据系统的功能需求和系统构成特点，对系统总体方案、系统硬件设计方案和系统软件设计方案进行了设计和实现。经城市轨道施工环境测试，该系统各个功能模块性能良好，很好的实现了环境监测、人员定位和语音通信，设备的远程控制等功能，达到了预期的设计目标。

关键词:LM3S9B92; Zigbee;嵌入式;轨道交通;安全监控系统

轨道交通是解决能源危机和实现环保交通的重要手段，对解决城市矛盾，改变城市布局，实现城市环境和交通综合治理，引导城市走可持续发展之路起到了强大作用。目前，我国的城市轨道交通进入快速发展阶段，目前我国25个城市正在进行城市轨道交通的前期工作，总规划里程超过5 000 km，总投资估算超过8 000亿元。国家安全生产监督管理总局提出加强落实城市公共交通优先发展战略，但是我国地铁等轨道交通的建设、运营安全等问题日益突出［1］。本文以LM3S9B92为核心开发设计了一套基于Zigbee无线传感器网络和Web Server的城市轨道施工安全监控系统。Zigbee作为新兴的无线通信网络技术，具有高容量，高延展性，高可靠性等优点，非常适合应用于复杂地理环境下的监控领域［2］。本文的系统示意图如图1所示。监控中心的电脑终端通过串口或以太网、LM3S9B92、CAN总线、转发器等对工人的安全进行实时监测。在发生紧急情况时，工人可以通过临近节点上的报警装置向监控中心发送报警信号。突发情况时，节点设备遭到破坏时，可以利用Zigbee网络的自组织特性，通过人工布置节点实现迅速组网，重新恢复整个系统的功能。本文的技术突破，可以为轨道交通的施工安全提供强有力的技术保障体系，对新技术和交叉学科的发展具有积极的意义。

图1　系统示意图

1　系统总体方案

本系统以LM3S9B92作为核心控制器，包含Zigbee无线传感器网络、转发器、CAN总线传输和串口或以太网组成［3］。系统结构如图2所示。每个工人配备一个无线传感器节点，在工人所经过的路线上会沿路放置一些转发器。工人在移动的过程中身上携带的传感器节点能够自动和不同的转发器进行通信，把监测到的数据发送出去。转发器收到传感器节点发来的数据帧之后，在数据帧前面加上转发器的ID，组成一个新的数据帧发送到CAN总线上。和CAN总线相连的LM3S9B92收到CAN总线上传来的数据帧之后，将该数据帧转换成能够通过串口或者以太网方式向地上监控中心的监控电脑发送。监控中心的电脑收到数据帧之后，将更新监控界面上对应传感器节点上的对应的测量值，当环境参数值超过极限值时，监测中心的电脑也会发出报警声。监测中心的电脑将记录任意时刻收到的数据，为发生事故之后对事故原因分析提供依据。另外，当意外事故发生时(如工人摔伤)，工人可以按下其携带的传感器节点上的求救按钮，此时传感器节点和监测中心都会发出报警信号。传感器节点发出报警声时，四周的工人将过来援助;监测中心发出报警声时，可以根据转发器和传感器的ID号来确定其位置和身份。

图2　系统方案框图

2　系统硬件设计方案

系统硬件由电源管理模块、传感器模块、无线射频模块和LM3S9B92控制器模块组成［4］。

本系统电源管理模块设计了2种电源供电方式，5V直流电源供电和3V电池供电［5］。通过LMlll7－3.3把5 V的直流电转化为3.3 V。此外还有3 V电池电源输入口。考虑到本系统中定位参考节点安装位置的固定性和待定位盲节点设备的移动性，使用时根据各个设备的特点和实际使用时的现场环境，可以通过SW-SPDT开关在两种供电方式之间进行切换。对于待定位的移动盲节点设备，考虑到其移动性，主要采用电池供电。而对于系统中安装位置固定的参考节点设备，在工作时不需要移动，可以选择直流电供电并同时给电池充电，以减少更换电池带来的操作不便，当发生意外情况，直流供电线路遭到破坏时，可以转换为电池供电，从而保证系统的正常运行。同时，电源管理模块使用能量采集技术延长电源的使用时间，可以减少电池所需要的充电的次数［6－8］。

图3　系统硬件结构

在本系统传感器模块中，城市轨道施工作业人员携带的传感器网络节点包括了环境参数采集的电路和报警电路［9－10］。由于瓦斯的主要成分包括甲烷、一氧化碳，有必要对这二种气体的浓度进行检测，一旦这二种参数到达预定值，报警系统就会给出警告。另外，为了对城市轨道施工环境更加了解，我们对烟雾浓度、温度参数也进行的采集，监测中心的电脑可以随时显示任意工人所处环境的这4个参数。

表1　传感器网络信息

表1为传感器的网络信息。其中，参数类型包含了所要采集的五类环境参数。器件类型是各个参数类型所采用的传感器器件。传输数据类型是在整个系统中传递数据时，用它来代表参数类型，比如传输数据类型为3，代表此时传输的是一氧化碳浓度的数据。ZigBee节点对应引脚为井下作业人员携带的ZigBee终端节点与环境参数采集电路连接时所使用的引脚。

本系统无线射频模块采用ZigBee无线网络技术，可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信［11］。这些传感器只需要很低的功耗，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，因此它们的通信效率非常高。城市轨道施工作业人员不可能一直呆在一个地方，他可能从一个网络进入下一个网络。此时，ZigBee的自组织功能能够自动断开已建的网络切换到新的网络，从而便于工人从一个转发器网络切换到另一个转发器网络。此外ZigBee节点的主控芯片为CC2530，可完成A/D采样而无需增加其它的A/D采样芯片，这可以缩小传感器节点的大小。

本系统LM3S9B92控制器模块为了进行PC机近距离通信和维护，可以使用串口通信［12］。或者为了方便进行远距离通信和维护，可以使用以太网通信。LM3S9B92支持CAN2.0协议，通信速率最高可达1 Mbit/s，支持32个拥有独立标识的消息对象，因此完全能够满足CAN总线上数据的收发。

3　系统软件设计方案

本系统的软件设计主要包括Zigbee协议栈Z-Stack的开发和节点传感器程序设计两部分。

在Zigbee无线传感器网络中，Z-Stack的开发主要包括转发器节点程序和执行各种功能的终端节点程序开发。Zigbee无线定位网络的转发器不但负责建立和管理网络，而且是Zigbee网络与PC机之间进行数据转发的枢纽。转发器工作流程如图4所示。

参考节点是Zigbee无线定位系统中已知坐标的静态节点，主要作用是担当Zigbee网络的路由器，它的任务主要是给待定位的移动盲节点提供包含自身位置X，Y坐标和RSSI值的信息包。通常情况下，一个定位区域具有3个～8个参考节点，参考节点工作流程如图5所示，查看参看节点配置的流程如图6所示。

本系统盲节点定位设计采用基于RSSI的定位方法。待定位的移动盲节点收集到临近参考节点发送的RSSI值和其X，Y坐标值后，利用理论和经验模型将传播损耗转化为距离，之后将其输入到芯片内的定位引擎，再利用三边测量的方法计算出待定位移动盲节点的位置信息［13］。

图4　转发器建网和子节点入网流程

图5　参考节点工作流程

三边测量的方法如图7所示。已知三个参考节点的坐标分别为A(XA，YA)、B(XB，YB)、C(XC，YC)，以及它们到移动盲节点D的距离分别为dA、dB、dC。那么存在下列方程组:

图6　查看参看节点配置

由式(1)可得D(X，Y)的坐标为:

在城市轨道施工中，由于无线信号的多重反射，会使得三边测量法定位缺乏准确性。因此，本系统以三边测量法为基础，采用文献［14］中的锚节点加权补偿定位算法。该算法利用锚节点自身的定位功能，通过加权质心方法获得定位系统在锚节点附近的区域定位误差，并对该误差进行补偿，从而提高该区域盲节点的定位精度。

图7　三边测量法示意图

本系统对终端节点的传感器数据采集设计了周期采集和睡眠两种工作模式。在周期采集模式中，网络中的终端节点按照系统设定的时间间隔对传感器数据进行采集和上传，当采集和发送完成以后，终端节点将转入睡眠模式。节点传感器数据采集流程如图8所示。

图8　节点传感器数据采集流程

4　测量结果及结论

图9是Zigbee移动终端和转发器实物图，图10 是Zigbee各个子节点实物图。本系统的测量过程，在城市轨道施工环境下进行。测量过程在不同的位置安装了8个Zigbee子节点设备。在测量过程中，系统可以搜索到各个节点设备，并在网络中能够准确的传输控制指令和传感器信息。测量结果如表2所示。由测量结果可以看出，系统最大误差:0.8 m，符合城市轨道施工定位要求［15，16］。

图9　Zigbee移动终端和转发器

表2　测量结果

通过对整个系统的测试我们得到以下结论，该系统能够在环境参数超过事先设定好的上限值时工人随身携带的传感器节点发出报警声，同时PC机的监控程序也能够发出报警声，监控界面上的超出预设值的节点能够闪烁。当工人按下求救按钮时，传感器节点能够发出求救声，同时PC机上的监控程序也能够收到求助信号发出报警声并显示出求救的节点。经城市轨道施工环境测试，本系统各个功能模块性能良好，很好的实现了环境监测、人员定位和语音通信，设备的远程控制等功能，达到了预期的设计目标。

图10　Zigbee各个子节点

参考文献:

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刘　鹏(1977－)，男，汉族，山东威海人，重庆电子工程职业学院，副教授，博士，从事计算机通信技术方面研究，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

中图分类号:TP23

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0887－06

项目来源:重庆市教委科学技术研究项目(KJ1402909);重庆市教育科学“十二五”规划2014年度重点课题项目(2014－GX－055)