一种基于ZigBee无线网络的智能安全监控系统设计

　　摘要：随着我国现代经济发展水平的不断提高，城市井盖数目逐渐增加。由于较多井盖被盗，致使路面形成陷阱，危害到过往车辆和行人安全。本文提出了一种基于ZigBee无线网络的智能安全监控系统，解决分布式布控困难、不能实时监控、成本较高的问题。融合GPRS网络，设计相应的嵌入式网关和Web服务器，实现了对缺失井盖的精确定位、自动报警功能。

　　引言

　　城市道路上的井盖经常会出现破损或丢失，这样会在路面上形成陷阱，对过往车辆和行人造成危险。全国特大型城市各类井盖总数量均在100万个以上，大型城市在80万个以上，中型城市在50万个以上。据统计，一般城市井盖年被盗数量超过总量的1%左右。井盖产生的安

　　全隐患包括：井盖被盗，通过井盖入口盗窃地下电线缆，影响供电和通信;由于下水道未按时清淘造成淤积，长时间形成沼气浓度过高易引发中毒、爆炸等危险事件。

　　1 系统概述

　　图1为系统工作原理图，系统组成为包含井盖报警器的ZigBee网络、嵌入式网关、GPRS短信模块、Web服务器，井盖报警器之间采用ZigBee无线通信技术，每个报警器作为ZigBee网络中的节点，通过固定的组网方式形成无线传感网络。报警器以接力的方式将数据传到ZigBee网络的协调器节点，协调器节点负责接收所有网络中的报警器节点信息。

　　协调器节点和嵌入式网关之间交互数据，将ZigBee网络中的各个报警器节点信息汇聚传递到嵌入式网关，同时将用户查询和设置命令下发给ZigBee网络。通过采集数据嵌入式网关能够对各个井盖报警器状态和位置进行显示和存储。嵌入式网关同时还起到实时报警和上传数据到网络的作用，GPRS模块主要负责GPRS模块接收井盖报警器传来的报警信息和井盖编码信息，并通过GPRS电路将其转发到具有固定IP地址的Web数据库服务器中，实现报警数据的上传。市政设施管理处以及自来水厂等政府机构可以通过网络查询自己单位的井盖状态，是否需要维护，并同时发送短信给检修人员，实现及时维修和处理。

　　工作原理：当井盖被打开后，井盖报警器上面的红外感应传感器感知光线产生报警，将报警信息通过ZigBee网络传输，传到嵌入式网关中。嵌入式网关处理数据，显示报警位置，通过GPRS模块将信息统一发送至固定IP的服务器上，用户通过Web服务器中心可以查询每个井盖的安全情况。同时，服务器中心通过互联网将消息发送给每个附近的维修单位，达到实时安全监管的效果。GPRS模块会将井盖的位置和情况发送给周边的检修人员，通知检修人员及时修理。

　　2 系统组成

　　2.1 井盖报警器节点

　　图2所示为井盖报警器节点结构图，包含ZigBee控制器、蜂鸣器、高亮度LED、气体传感器、光敏传感器。

　　其中，负责组成网络的ZigBee控制器采用TI公司生产的针对IEEE 802.15.4应用的片上系统CC2530，内部集成了工作在2.4 GHz的射频发射器和低功耗的8051MCU内核。

　　井盖报警器节点的原理为：通过嵌入式压电供电模块为ZigBee控制系统供电，通过传感器检测井盖安全状况。当井盖被盗时，光敏传感器感知光线并将报警信息和地址编码传输到邻近的ZigBee路由器中;当沼气浓度过高时，气体传感器感知浓度，将报警信息和地址编码传输到邻近的ZigBee路由器中。

　　2.2 嵌入式网关

　　嵌入式网关采用三星公司的S3C6410处理器，主频达到667 MHz。陔网关具有较好的通用性，采用ARM11芯片S3C6410作为核心扩展设计了一个ZigBee网关，采用Linux操作系统，移植TCP/IP协议，将网络故障下的信息存储在FLASH芯片中。项目中的网关很好地克服了传统网关架构下ZigBee传输速率较慢的瓶颈，大大降低了协议转换过程中的资源和处理时间消耗。该网关设计思路新颖，具有较强的实用性。界面简单易操作，通信效果良好，能够通过网络远程监测井盖安全的实时变化，为市政提供了有效、及时的信息。

　　2.3 Web服务器

　　利用PC机建立Web服务器，对无线传感网络中的数据进行存储和显示，同时通过网络连接至政府部门，方便各个单位查询井盖情况。在服务器设计中，前端采用ASP.NET开发页面，后端采用ADO.NET操作数据库。每个报警器节点数据传输过来到服务器后，服务器通过SQL数据库进行接收、处理和存储。主要信息包含：井盖节点位置信息、安全状况信息、实时监控信息、历史监控信息。Web服务器根据设计功能需求，主要分为登陆界面、井盖分布位置界面、井盖安全状况界面、历史数据等界面。

　　3 系统设计

　　3.1 系统硬件设计

　　3.1.1 ZigBee模块

　　ZigBee网络中模块有三种类型：协调器、路由器和终端节点。ZigBee模块采用TI公司的射频模块CC2530，采用IEEE802.15.4协议，集成了RF和8051 MCU内核，具有256K的闪存，工作频率为2.4 GHz，通信距离可以达到100 m，具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。

　　3.1.2 光敏传感器

　　光敏传感器采用光敏二极管，光敏二极管响应范围适用于可见光范围，红外光全截止，频谱范围近似人眼。通过ZigBee控制器的A/D模块采集光敏二极管上面的光线强度，当井盖损坏或被盗后，光敏二极管检测光线发生变化从而报警。气体传感器采用MH-440V/D红外气体传感器，通过测定气体成分的吸光度，就能测定气体成分的浓度，气体传感器主要负责检测下水道沼气是否超标。

　　3.1.3 GPRS模块

　　GPRS模块选用SIM900A模块，该设备采用高性能处理器，内嵌TCP/IP协议栈，保证数据可靠传输。GPRS模块主要负责接收井盖报警器传来的报警信息和井盖编码信息，并通过GPRS电路将其转发到具有固定IP地址的Web数据库服务器中，实现报警数据的上传。同时，发送短信给维修人员，实现及时维修和处理。