基于ZigBee的地下管线智能监管系统

杨书鸿 林佳星

摘要 地下管线涉及多种管线交叉，形成了一张错综复杂的地下管线网络。设计了一个基于ZigBee的地下管线智能监管系统，可实现实时检测、监控、分析和管理地下各种管线的各项指标。主要介绍ZigBee、CC2530、传感器技术，实现该系统的软硬件设计方法。该系统可以使管线的维护、检修等工作简化，减少安全隐患。

【关键词】ZigBee CC2530 智能监管 传感器

1 引言

随着社会经济的发展，地下管线遍布城市的各个角落。城市地下管线可分为给水、排水、燃气、热力、电信、电力、工业和综合管沟八大类管线。城市地下管线担负着城市的信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃的功能。是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市基础设施的重要组成部分。我国地下基础设施建设较滞后，运用传感器、ZigBee等物联网技术，实现实时检测、监控、分析和管理地下各种管线的各项指标，推进城市的地下综合管廊建设。地下管线智能监管系统系统可解决城市交通拥堵现象，减少频繁挖掘道路对交通造成影响。方便了电力、燃气、供排水等市政设施的维护和检修。地下管线智能监管系统利用传感器技术可以对各种指标进行监测井能对故障及时作出处理。不但减少了安全隐患，还可以减少巡线人员的成本。

2 系统总体设计

设计的基于ZigBee的地下管线智能监管系统，可对各种管线的各项指标实现实时检测、监控、分析和管理。物联网技术可在地下管线上预先嵌入传感器，可轻松获得有关地下管线自身及运行情况的关键参数，从而解决城市地下管线智能监管体系中的一个关键技术问题。

通过比较目前主流的短距离无线通信技术，包括蓝牙、（Bluetooth）、Wi-Fi、ZigBee、UWB等，选择了综合性能最优的ZigBee通信技术。本设计实现的主要功能有三个方面：根据采集数据分析地下管线中的温湿度情况，及时的通过控制面板上的控制开关来调整地下管线内的温湿度值;采集到有烟雾或可燃性气体的时候，发出报警信息，及时的确定事故发生区域，并作出处理;根据采集信息做系统分析。总体设计思路是：在该设计中，感知层技术利用DHT11温湿度传感器和烟雾气敏传感器来实现数据采集。网络层技术利用ZigBee技术特有的自组织网络技术搭建起来的无线网络来进行终端节点周期性采集数据的上传;协调器实现数据接收和转发，PC端软件控制命令信息的下达。应用层技术利用软件来实现对各项监测数据的显示。物联网技术架构图如图1所示。

3 系统硬件设计

系统硬件设计主要由CC2530开发板、DHT11温湿度传感器、烟雾气敏传感器、报警器和继电器等组成。

3.1 CC2530开发板

在协调器和终端节点方面采用了带002530芯片的开发板。CC2530开发板结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。它能够以低成本建立强大的网络结点，具有多种运行模式，适应超低功耗要求的系统。002530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。

3.2 DHT11温湿度传感器

采用DHT11温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器周期性采集温湿度数据，并通过终端节点，将采集到的信息通过天线以无线传输的方式发送给协调器，协调器接收到数据后，将这些数据转发给PC机，PC机接收到这些数据后，进行数据分析处理，并将分析得到的数字量数据以波形图和数字的形式，显示在控制界面上。用户可以根据这些数据分析地下管线中的温湿度情况，及时的通过控制面板上的控制开关来调整地下管线内的温湿度值。

3.3 烟雾气敏传感器

采用烟雾气敏传感器，通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种先进技术，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。传感器周期性采集数据，当采集到有烟雾或可燃性气体的时候，它才会发出报警信息，并在用户界面上显示警示信号。用户在获取显示的警示信号后，可以及时的确定事故发生区域，并作出处理。

对于传感器节点，主要分布在地下无人环境，无法提供市电作为恒定电源，因此，对于它们的供电，可以选择便携式电池供电。

3.4 ZigBee

采用综合性能最优的ZigBee通信技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的协议，其主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee协调器功能，ZigBee终端将传感器采集到的信息通过ZigBee网络传给ZigBee协调器，ZigBee协调器通过串口发送至PC机，PC机分析数据，根据情况发出控制命令。ZigBee终端功能，周期性的收到传感器接收的信息，并將该信息传送给ZigBee协调器，并通过ZigBee网络接收PC机通过ZigBee协调器传送的控制信息。

ZigBee终端工作过程流程图如图2所示。

本系统可根据数据定期的做系统分析，可以根据分析得到数据，预估管线的使用寿命，对于那些需要更换的管线，可以预先联系厂家生产，既提供了市场需求，又不至于使得企业生产过剩，还消除了城市安全隐患。

3.5 报警器

当出现危险状况时，需要进行报警，才能达到安防的效果。其中报警器是最重要的一个部分。本此设计中采用了蜂鸣器对温度报警信号进行报警，由于CC2530的I/O驱动能力有限，所以要用三极管进行放大，提高驱动能力，可以产生良好的报警效果。当协调器检测到温度超过范围后，就产生一个温度报警信号，输出到报警电路中。当输入端接收到低电平后，三极管导通，蜂鸣器就会发出声音，即可作为报警器使用。

4 系统软件设计

系统的软件设计是在硬件设计的基础上进行，良好的软件设计是实现系统功能的关键环节。本设计采用TI公司推出的ZigBee协议栈（Z-Stack），采用IAR集成开发环境。IAR是一款C语言交叉的编译器，是一款完整、稳定且容易使用的专业嵌入式应用开发工具。能够直接使用TI公司提供的Z-Stack协议栈进行二次开发，开发人员只需要调用相关的API接口函数。上位机软件设计，节点采集到其他节点的传感器数据后要在PC终端进行显示并可以执行一些控制操作，从而需要上位机软件部分实现与下位机之间的数据通信。实现各种控制功能的设计。设计的软件来实现对各项监测数据的显示，还增加了二维坐标图的显示，更加直观全面的显示温湿度数据。并且可以通过控制继电器的闭合，达到对基层硬件进行简单控制的目的，比如通过继电器控制灯的亮灭、蜂鸣器的鸣响等。

5 结束语

本文对基于ZigBee的地下管线智能监管系统进行了分析，给出了具体设计方案。设计的系统可以实现实时检测、监控、分析和管理地下各种管线的各项指标，方便电力、通信、燃气、供排水等市政设施的维护和检修，对满足民生需求和提高城市综合承载力，保障城市运行安全取得较好的效果。可以在实际应用中参考。

参考文献

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[2]姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3]廖建尚，物联网平台开发及应用[M]，北京：电子工业出版社，2016.

[4]曾妍.物联网工程应用系统（智慧城市）实训教程[M].成都西南交通大学出版社，2017.