基于无线传感器网络的沙井盖监测系统

沙井盖系统是城市的重要组成部分，电力，通信，燃气等各大企业都需要在城市中设置沙井盖系统。随着城市和经济的发展，沙井盖系统也越来越庞大，对其的管理也越发的困难。沙井盖被盗，汽车“轮陷”，行人落井，轻则负伤重则丧命——沙井盖问题给人们的出行带来安全隐患。无线传感器网络技术已经在工业、智能农业、智能家居等领域得到广泛应用[1]。

本文设计一套的沙井盖监测系统，结合单片机和传感器技术，采集沙井盖的状态，并应用Zigbee技术，构建无线传感器网络，将采集的数据传输到控制中心，实现了沙井盖的远程监测[2]，使得沙井盖系统的管理更加方便、快捷，有效降低维护成本。

一、监测系统设计

沙井盖监测系统主要包括控制中心、路由节点、沙井盖节点和通信系统组成。如图1所示，沙井盖节点主要包括霍尔传感器、时钟芯片和Zigbee通讯模块等，通过采集现场环境信息和沙井盖工作状态信息，通过Zigbee网络传输到路由节点。

路由节点主要包括Zigbee通讯模块、RTL8019AS以太网控制器和EEPROM数据存储芯片等，控制中心通过路由节点的IP地址，采用查访的方式访问路由节点，读取节点信息。在出现故障时，路由节点会主动向控制中心发送报警信息。

二、系统硬件设计

2.1沙井盖节点

沙井盖监测节点采用TI公司的CC2530作为控制芯片[4]，该芯片内置高效低功耗8051内核、256KB 可编程flash、电压监控电路和内部芯片温度传感器、看门狗电路功能、并集成了ZigBee PRO/IEEE 802.15.4网络协议，在板载PCB天线的条件下可实现80米可视范围内的数据通讯，及多节点之间的多跳路由。

霍尔开关具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下等特点。故采用全极霍尔开关检测井盖丢失和开启。安装有蜂鸣器和LED指示灯，在沙井盖开启或丢失的情况下进行报警。图2为沙井盖节点的电路原理图。

2.2路由节点

路由节点电路以CC2530作为控制芯片和Zigbee通讯模块。采用RTL8019AS芯片作为以太网控制器，该控制器符合Ethernet II与IEEE 802.3标准，采用全双工收发并可同时达到10 Mb/s的速率，内置16 kB的SRAM，支持8/16位数据总线，可以方便的与微处理器进行连接。

三、控制方法与软件设计

沙井盖控制系统主要是对沙井盖节点的工作状态，故障检测等信息进行监测。其控制方法包括沙井盖安装、故障检测、数据管理和数据通讯协议。

3.1故障安装及检测方法

沙井盖管理系统的一个非常关键的功能就是对沙井盖的状态进行检测。我们可以利用全极霍尔效应开关对沙井盖的状态检测，来判断沙井盖的开关状态[5]。

如图3所示，图中A点为磁铁，安装在沙井盖与地面连接处的空隙部分。B点为节点模块中的全极霍尔效应开关。在水井盖关闭时，B点检测到A点的磁场，全极霍尔效应开关打开；在沙井盖打开的时候B点无法检测到磁场，全极霍尔效应开关关闭。

3.2沙井盖管理策略

对于同一个网段的沙井盖节点，其数据汇总到一个路由节点中，由于同一个Zigbee网段内可挂载256个子节点[3]，因此在沙井盖安装的时候，可通过控制电路上的8位拨码开关对沙井盖的地址进行设置（0～255），其中0号地址为该网段路由节点的地址。

3.3控制程序设计

3.3.1沙井盖节点程序设计

沙井盖节点首先进行Zigbee组网，然后检测沙井盖开启状态信息，再监听Zigbee网络的指令信息，根据指令信息反馈当前状态。沙井盖节点的控制流程如图4所示。

3.3.2路由节点程序设计

路由节点主要协调沙井盖与控制中心上位机之间的数据。由于节点的个数较多，如果由沙井盖节点主动向路由节点发送信息的话容易造成同一网段内多个节点同时向路由节点发送信息的情况，造成信息的滞后，甚至丢失，因此路由节点与沙井盖之间采用主动查询的方式，由路由节点定时向沙井盖节点发送查询指令来查询沙井盖节点的状态信息。同理控制中心也是采用定时向路由节点发送数据查询指令来取得各网段的数据。

沙井盖控制的实时性要求不用很高，可以几分钟查询一次节点信息。因此不会出现大量的数据传输。路由节点的控制流程如图5所示。

3.3.3上位机程序

上位机程序采用ACCESS数据库对沙井盖数据进行统一管理。每个沙井盖节点的信息作为一条记录存储在数据库中，并以表格的形式把节点信息显示于主界面上。可添加删除网段，对网段的IP地址进行配置，添加删除沙井盖节点，双击表格中的选项对沙井盖的设置进行修改。

3.3.4数据通讯协议

沙井盖节点与路由节点，路由节点与控制中心之间都需要数据通讯，它们之间的通讯协议如下：

四、结论

经实地测试，单节点间可实现空旷地带80米距离内进行数据传输，对于距离较远的，可以加上外置天线，可实现100-2500米空旷范围内的数据传输，运行状态稳定，对于节点与服务器之间的连接，采用跳由节点多跳的方式传输。

基于无线传感网络的沙井盖监测系统采用Zigbee无线自组网络，实现了沙井盖的远程监测，为沙井盖的统一管理提供了可能，也大大降低了沙井盖维护的难度和成本，也为行人出行的安全提供较有力的保障。具有广泛的应用前景和推广价值。该方案目前适用于小区等环境较简单的地方，对于公路，厂区等环境较恶劣的地方，还应该考虑设备对环境的适应性，比如密封、抗腐蚀等。

在后期的研究中，可加入GPRS无线通讯，对一些偏远地区无法连接网络的，可以采用GPRS网络进行数据通讯[6]。还可增加其它传感器对井内情况，如注水情况等进行检测，还可增加多节点协同的控制策略，是研究无线传感执行网络的较好的应用平台。

参 考 文 献

[1]周怡頲， 凌志浩， 吴勤勤. ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005（6）：5-9.

[2]崔杰. 基于ZigBee的无线传感器网络平台设计与实现[D]. 华南理工大学，2012.

[3]台宏达， 田国会等. ZigBee2006协议栈的无线传感执行网络构建[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2009（7）：35-38.

[4]李俊斌，胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J]. 电子设计工程，2011（16）：108-111.

[5]彭建盛，蓝忠武. 基于无线传感网络的智能路灯系统[J]. 河池学院学报，2010，（30）：52-57.

[6]张俊华. 基于 GPRS 和Zigbee 的无线智能路灯控制系统设计[J]. 计算机光盘软件与应用，2012，（7）：200-201.