基于Zigbee无线传感网络的窨井安全监测系统

杨永超，曾 刚，黄 勇，黄 林（湖北民族学院信息工程学院，湖北　恩施445000）

基于Zigbee无线传感网络的窨井安全监测系统

杨永超，曾 刚，黄 勇，黄 林
（湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000）

针对城市窨井因内部可燃性气体浓度过高产生爆炸、水位太高而损坏内部线缆或井盖丢失、移位造成重大生命财产损失等各类事故，设计了一种基于Zigbee协议的无线传感网络的窨井安全监测系统。该监测系统能够实时监测窨井内燃气浓度、水位以及井盖是否丢失或移位等各种安全隐患信息，一旦超过设定的安全阈值，告警信息便能通过GSM手机通信网络或因特网及时传送至监控中心，提醒市政管理部门采取措施，避免生命财产遭受损失。系统测试结果表明:其运行达到预期效果，具有很好的实用推广价值。

窨井；安全监测；无线传感网络；Zigbee

随着社会经济的快速发展，城市规模越来越大，市政公共基础建设力度逐年加大，与之相应的各种城市地下管网越来越复杂和庞大。窨井是管理、安装和维护城市地下管线如电力、通信、燃气、污水、供水、有线电视等各种重要设施的重要通道，一般由井基座、井身、井颈和井盖等部分组成［1］。但是，由于目前缺乏有效的实时监测手段，若地下管道发生漏气、漏水、甲烷浓度超标等问题，管理部门往往无法在第一时间得到信息以致造成重大的安全事故；同时，由于车辆碾压、人为盗窃以及雨季积水等原因造成井盖丢失而带来的财产损失、人身安全等严重后果时有发生［2-3］。因此，为了保障公共设施的安全正常运行，保护人民生命及财产安全，迫切需要加强对城市道路窨井的井下安全监测及井盖丢失管理［4］。但是，由于城市窨井及井盖数量大、分布广，依靠人工方式对各个窨井及井盖进行巡视和检查，其效率低下、实时性差，而且也很难测定井下如天然气、甲烷等可燃性气体的浓度［5-6］。随着信息化时代的到来和物联网技术的快速发展，基于Zigbee协议的无线传感网络技术以其优异的性能已经逐渐被应用到生产生活的各个方面。

Zigbee技术是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信协议，其自组网、自愈和、多组网方式、三级安全模式等优点为无线网络的建立带来了方便［7-10］。本文将Zigbee技术和无线传感网络技术引入到城市窨井的安全监控中，构建了基于Zigbee协议的无线传感网络的窨井井下气体浓度、水情以及井盖移动与否的实时监测系统，一旦有可燃性气体浓度超标、水位超标或井盖移动等情况，系统将立即向监控中心发送告警信息，从而为市政管理部门迅速实施相应的解决措施提供有效的途径。

1　系统硬件设计

1.1Zigbee技术简介

Zigbee技术是一种采用直接序列扩频技术的短距离、低速率、低成本以及低功耗的双向无线通信技术，它基于IEEE802.15.4无线标准，工作频率为868～915 MHz或2.4 GHz的ISM频段，与其他无线网络技术相比，该技术的突出优点是应用简单、耗能低、组网能力强、可靠性高以及成本低［11-13］。将低功耗的Zigbee技术应用到无线传感器网络中来对数量庞大的城市窨井内的环境及井盖进行实时监测，将给市政管理部门对窨井的管理和维护带来了极大的便利，同时可以最大程度地保障井内各重要的基础设施和城市居民的生命财产安全。

1.2总体结构设计

基于Zigbee无线传感网络的窨井安全监测系统总体结构设计见图1。

在图1中，对于窨井相关的数据采集和传输过程主要由窨井数据采集和监测终端节点、Zigbee路由节点、Zigbee协调器、GSM模块以及监控终端等部分组成。位于每个窨井处的监测终端节点主要完成对窨井内水位、气体浓度以及井盖是否移动或丢失等数据的采集，并对数据进行处理后寻找和连接路由节点将数据发送至上位机；Zigbee路由节点主要用于在路由节点之间或路由节点与协调器之间传递数据包，每个路由节点下拥有由若干个监测终端子节点构成的数据采集终端子网络；Zigbee协调器及其数据处理单片机STM32E103ZET6主要负责整个无线传感网络的建立、选择初始通信信道、初始化网络配置并接受各监测子节点加入网络；Zigbee无线传感网络由与STM32E103ZET6相连的GSM接口或因特网接口通过相应的通信网络与监控中心相连，并将采集的窨井内环境及井盖等数据传送至监控中心的计算机或手机监控终端，或者通过GSM或因特网接收来自监控中心上位机的命令，并以广播方式通过各路由节点向监测终端发送，从而获得各监测终端返回的数据信息。

图1　基于Zigbee无线传感网格的窨井安全监测系统总体结构示意图Eig.1 Sketch map of the inspection well safety monitoring system based on Zigbee wireless sensor network

当协调器启动之后便进入组网流程，组网过程中协调器按照Zigbee协议的规定，各层之间进行一系列的会话，完成新网络的参数配置直至网络建立成功；然后路由节点开始加入网络，路由节点和协调器各层协议分别通过一系列会话之后完成对自身的配置，此后网络当中的各个节点之间就可以通信了［5］。

1.3传感器节点设计

对于每个窨井的监测终端来说，主要完成对井内水位高低、可燃性气体浓度以及井盖是否移动等数据的实时监测等功能。根据监测要求，需要配置相应的传感器对各个参数进行检测，然后将数据送入含有MCU的测控系统，对数据进行处理后通过射频电路网络发送出去。

传感器节点的硬件框图见图2。在图2中，Zigbee模块是整个系统的核心，主要由Chipcon公司近年推出的CC2430和CC2591芯片组成。CC2430是一颗（SOC）CMOS芯片，内嵌高性能和低功耗的8051微控制器（MCU）核，并集成了8通道14bit的ADC以及符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RE无线收发器，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。CC2591是一款高性能的低成本前端，集成了功率放大器、低噪声放大器、平衡转换器和RE匹配网络等，配上高增益天线，可将无线传感器网络覆盖范围提高到几百米以上，足以满足各终端节点传输数据的需要。

图2　传感器节点硬件框图Eig.2 Hardware frame of the sensor node

由于窨井内的可燃性气体主要是沼气或天然气，它们的主要成分均为甲烷，因此可燃性气体的浓度检测采用MQ-4甲烷传感器。MQ-4甲烷传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2），当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，在传感器外围使用简单的放大调理电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，最后送入Zigbee模块的ADC输入端口。

对于窨井内水位的监测，考虑到系统成本因素，且水位深度不需要精确值，只需监测其是否达到警戒水位即可，因此水位探头采用简易的防腐两极金属探头，经过简单调理电路后便可输出高低电平逻辑，以示金属探头的两极是否被水短接。根据窨井内设施的情况，可将探头放置在警戒水位的高度即可。

当井盖出现丢失、移位或碾压损坏等情况后，窨井内的光照强度将会发生很大变化，因此采用光照度传感器，通过对传感器的输出信号设定相应的阈值，便可判断井盖是否出现上述各种实际问题。本系统采用的光照度传感器为采用ROHM原装BH1750EVI芯片的GY-30数字光照度传感器模块，供电电压为3～5 V，传感器模块内置16bit的ADC，可直接数字输出至CC2430模块。

需要特别指出的是，虽然Zigbee模块无线节点CC2430本身可以在很短时间内由睡眠模式切换至工作模式，而且在接收或发送数据时耗电量只有25 m A左右，非常省电，但由于外围的甲烷传感器及其调理电路耗电量较高，为保证系统长时间工作的可靠性，设计时采用电压为12 V、容量为5 A·h的铅酸蓄电池进行供电，并在白天时用太阳能光伏电池给蓄电池进行充电，以保证超长时间对终端节点进行供电的可靠性。与此同时，系统对蓄电池的电量进行监测，通过自带的ADC采集蓄电池端电压，当电压低于设定阈值时产生电压过低告警信号，最终通过网络传输到监控中心，提醒管理人员对该节点电源进行维护。

传感器节点的硬件电路如图3所示。

图3　传感器节点硬件电路图Eig.3 Schematic of the sensor node

1.4协调器节点设计

协调器是无线网络与外界其他通信网络连接的关键部件，其工作的可靠性直接影响数据传输的稳定性，其硬件结构主要包括主MCU、存储器单元、无线射频收发电路、RS232-GSM通信接口以及因特网通信接口等。对于实际的窨井监测系统，其数量庞大，实时性要求较高，协调器的数据处理流量大，因此对MCU的处理性能要求高，如果采用CC2430自带的8051MCU内核不能满足数据处理的要求，所以系统采用STM32E103ZET6单片机作为数据处理平台。STM32E103ZET6是意法半导体公司出品的基于Cotex-M3内核的32位ARM系列微控制器，工作频率可达72MHz，数据处理功能强大［14-16］。此外，该芯片上还集成了最大64k B的SRAM存储器及512k B的Elash存储器，并具有丰富的电源管理功能及低功耗模式，完全能够满足协调器的功能要求。

2　系统软件设计

Zigbee模块以基于德州仪器（TI）公司的业界领先的黄金单元Zigbee协议栈、Z-Stack协议栈为基础进行软件的编写，提供了一个强大且完整的Zigbee解决方案［9］。只需要在应用层（APP）添加与该项目有关的函数或代码即可，省去了开发底层协议的繁琐工作，可以大幅度缩短开发周期。

2.1传感器节点的软件流程

传感器节点在系统中的作用是实时采集窨井内水位、甲烷浓度、井盖是否移位以及蓄电池电压等数据，节点上电启动并加入无线网络后便能够与路由器和协调器建立网络通信，实现数据及命令的双向传输，一旦数据超过设定阈值立即产生中断，并及时将相关告警信息通过无线传感网络发送至监控中心计算机，提醒监控人员采取相应措施；同时传感器节点也能够接收监控中心计算机发送过来的各种查询命令，并将实时数据及时返回。

传感器节点的软件流程见图4。

2.2协调器节点的软件流程

协调器在系统中的作用是建立并管理Zigbee无线网络，自动允许其他节点加入网络的请求，收集传感器节点传送过来的数据信息，并通过串口将数据发送给上位机；同时接收上位机的控制命令，再将命令发送给各传感器节点控制进行相应的数据采集。协调器建立网络并处理节点请求的程序流程见图5。

图4　传感器节点的软件流程Eig.4 Software flow chart of the sensor node

图5　协调器节点的软件流程Eig.5 Software flow chart of the coordinator

2.3数据传输流程

市政管理部门在监控中心通过GSM网络或互联网能够随时获取所辖区域内所有被监控窨井的相关数据，对窨井内的水位、可燃性气体浓度以及井盖是否移位或丢失等情况进行查询［6］。协调器收到来自监控中心的查询命令后选择相应的路由节点，路由节点再唤醒子网内的终端节点进行数据的采集并进行上传。命令传输过程中，如果未发现或者与目的终端节点通讯失败，则向监控中心返回错误报告。系统数据传输流程见图6。

图6　系统数据传输流程Eig.6 Elow chart of data transmission

3　系统测试

3.1数据传输测试

为了验证基于Zigbee无线传感网络的窨井安全监测系统数据传输的可靠性，本研究在校园内建筑较密集的道路旁对该系统进行了模拟测试:系统采用1个GSM手机监测终端、1个上位机终端和10个Zigbee节点进行组网，包括1个协调器、2个路由节点和7个带有传感器的监测终端节点。每个传感器节点相距20～40 m不等，每个路由节点距终端节点最近约18 m，最远约65 m，放在终端节点与协调器之间，负责数据的转发。

测试时，每个传感器节点向上位机发送数据包总量为1 000个，在不同的间隔距离上分别从监测终端节点发送模拟的窨井环境数据包到上位机，测试系统丢包率的大小。测试时，设定传感器节点每间隔100 ms发送一次数据包，然后等待上位机过来的反馈信号；若收到反馈信号，则马上发送下一个数据包；若100 ms后还没收到反馈信号，则认为丢包，并接着发送下一个数据包。系统丢包率的测试结果见表1。

表1　系统丢包率的测试结果Table 1 PLR test of the system

由表1可见，传感器节点向上位机发送数据非常可靠，其丢包率在可以接受的范围之内。

3.2传感器节点的测试

本研究对系统还进行了传感器节点的测试。测试过程中，对水位进行模拟时，若将水位传感器放在盛水的杯中，则表示窨井水位超过警戒值，传感器节点将输出高电平“1”，否则输出低电平“0”；对井盖是否丢失进行模拟时，采用不透光的布将光照度传感器包裹在内来模拟井盖处于正常位置，传感器节点输出低电平“0”，若探头敞开在空气中，则表示井盖移位，则传感器节点输出高电平“1”；对甲烷传感器进行测试时，用主要成分为甲烷的天然气作为测试气体，首先采用便携式可燃性气体浓度测量仪对传感器进行标定，然后在室温情况下，用气体浓度测量仪分别对每个节点的甲烷传感器的准确度进行测试；蓄电池电压则采用数字万用表进行实测。传感器节点测试结果见表2。其中，甲烷浓度的参考值表示用气体浓度测量仪对天然气的测试结果；蓄电池电压的参考值表示用数字万用表对蓄电池电压的测试结果；实测值表示本文系统分别对天然气和蓄电池电压的测试结果；平均相对误差表示实测值与参考值之间相对误差的平均值。

由表2可见，水位信号和井盖移位信号传输准确可靠，完全能够满足实际测量要求；甲烷浓度及蓄电池电压的测量由于受系统所采用的传感器精度的限制，且气体浓度的测量受所处环境影响较大，分别有5.6%及-0.5%的平均相对误差，但均在可以接受的范围内。

根据相关资料可知，空气中的甲烷浓度的爆炸极限为5%～16%。据此，系统设定当检测到天然气或沼气浓度达到3.5%的阈值时，就立即发出告警信息，提醒市政管理部门立即采取措施，从而避免爆炸事故的发生。

表2　传感器节点测试结果Table 2 Test results of sensor nodes

4　结论与建议

本文基于CC2430无线传感节点、MQ-4甲烷传感器、GY-30光照度传感器以及水位传感器等硬件电路构建了一种以太阳能和蓄电池供电的城市窨井安全监测系统，能够实时监测城市窨井内各种安全隐患信息，一旦有险情发生，将及时提醒市政部门采取相应措施，避免遭受生命财产损失。需要指出的是，若将本系统应用于实际的城市窨井安全监测中，可能会由于Zigbee终端节点数量过多和周围建筑物遮挡等情况，使数据传输的可靠性会有一定的下降，这就需要进一步改善路由算法，或在传感器节点密度大的地方增加路由节点或协调器节点数量，以改善数据传输的可靠性。

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The Inspection Well Security Monitoring System Based on Zigbee Wireless Sensor Networks

YANG Yongchao，ZENG Gang，HUANG Yong，HUANG Lin
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

As more and more accidents involved with inspection wells in the city cause great losses in human life and property，which include explosion caused by high-density combustible gas，damage of inside cables from high-level water，and loss or dislocation of the inspection well covers，this paper designs a security monitoring system for inspect wells based on Zigbee wireless sensor network.This monitoring system could monitor in real-time various potential safety risk information，such as the density of combustible gases，level of water inside the well，or cover location of the well，etc.Once the surveyed data above exceed the given thresholds，warning messages would be transferred to the monitoring center immediately through GSM mobile phone network or internet，altering the municipal management to take measures to avoid life or property loss.Test results show that the system achieves expected effect and possess wonderful practicability.

Inspection well；Security monitoring；Wireless sensor networks；Zigbee

X924.3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.017

1671-1556（2015）05-0096-06

2015-01-21

2015-09-06

国家级大学生创新创业训练计划项目（201310517004）；湖北省自然科学基金项目（2013CEB044）

杨永超（1981—），男，硕士，讲师，主要从事电子测量技术与无线传感网络等方面的研究。E-mail:yycy20@163.com