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基于無(wú)線通訊的城市窨井遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控?cái)?shù)字化信息系統(tǒng)

2013-12-03 08:07:06解兆延張延波徐文青張琳周廣旭
山東科學(xué) 2013年1期
關(guān)鍵詞:窨井無(wú)線通訊井蓋

解兆延,張延波,徐文青,張琳,周廣旭

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,山東濟(jì)南250014)

城市井蓋的丟失一直是令市政部門和相關(guān)企業(yè)非常頭疼的問(wèn)題,不僅給人員、車輛造成重大安全隱患,而且井下的線纜和設(shè)備的丟失,極易導(dǎo)致通訊、電力以及供水供氣中斷,給企業(yè)和居民造成巨大損失[1]。無(wú)論是通訊公司的線纜井、自來(lái)水公司的閥門井蓋,還是市政管理處的雨水井箅、污水檢查井蓋,每套價(jià)值均為數(shù)百元,進(jìn)入井下盜竊線纜及設(shè)備的事件時(shí)有發(fā)生。據(jù)此估算,每年濟(jì)南市僅這些設(shè)施丟失造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)數(shù)百萬(wàn)元,而且對(duì)市民人身安全構(gòu)成重大威脅。如果延伸到全國(guó)各大中城市,其造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害更是難于估量。所以做好城市窨井井蓋的防盜與監(jiān)控,及時(shí)掌握其現(xiàn)狀信息,對(duì)城市建設(shè)和管理顯得尤為重要。

目前,國(guó)內(nèi)已有幾家公司開展相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作。如長(zhǎng)沙高新開發(fā)區(qū)璽天科技開發(fā)有限公司研發(fā)的“信號(hào)旗井蓋防盜系統(tǒng)”[2],連云港溢瑞科技有限公司的“電力井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”[3],但這些系統(tǒng)普遍存在成本高,傳輸系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。本系統(tǒng)結(jié)合ZigBee、GPRS、GIS和WSN等技術(shù),采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),解決了上述系統(tǒng)可靠性低、投資成本和運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括防盜井蓋、無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)和數(shù)字化信息系統(tǒng)三部分,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)綜合利用GPRS網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS地圖和WSN技術(shù)等高科技手段,將整個(gè)系統(tǒng)融入到城市信息化系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;形成一個(gè)成熟的城市窨井井蓋遠(yuǎn)程防盜監(jiān)控及數(shù)字化信息系統(tǒng)。

(2)主動(dòng)預(yù)警和報(bào)警。對(duì)窨井的環(huán)境狀態(tài)和窨井井蓋的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并通過(guò)ZigBee和GPRS組成的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預(yù)警和報(bào)警信息[4]。

(3)實(shí)時(shí)信息報(bào)警。當(dāng)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)接收到預(yù)警和報(bào)警信息時(shí),數(shù)字化信息系統(tǒng)通過(guò)短信息的方式,將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到窨井相關(guān)負(fù)責(zé)單位和負(fù)責(zé)人。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

城市線纜井遠(yuǎn)程防盜監(jiān)控及數(shù)字化信息系統(tǒng)由三大部分組成即防盜井蓋、無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)和數(shù)字化信息系統(tǒng)。

2.1 防盜井蓋

防盜井蓋主要由遙控器、送電設(shè)備、受電器、控制系統(tǒng)和井蓋電動(dòng)鎖構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

防盜井蓋控制系統(tǒng)采用DIGI公司的基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線收發(fā)模塊XBee-Pro[5],該模塊為即插即用方式,模塊設(shè)計(jì)滿足 IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),工作在2.4 GHz。在網(wǎng)絡(luò)性能方面,具有DSSS(直接序列擴(kuò)頻)功能,可以組成對(duì)等網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)[6]。XBee-Pro模塊的基本性能參數(shù)如下 :發(fā)送功率100 mW,接收靈敏度-100 dBm,室內(nèi)傳輸距離100 m,室外傳輸距離1 500 m,RF數(shù)據(jù)傳輸速率250 kb/s;在3.3 V電源下,發(fā)送電流215 mA,接收電流 55 mA[7]。

控制系統(tǒng)的MCU選用FREESCALE公司的8位單片機(jī)MC9S08AW60,這是一款高性能的8位微控制器,是首個(gè)能支持5 V基于高性能HCS08核系列成員。該單片機(jī)包含 60 kB 的 FLASH 存儲(chǔ)器,2 kB RAM,A/D,2 個(gè) SCI、SPI、IIC 等,具有不同的引腳、封裝及溫度范圍[8-9],見圖3。防盜井蓋控制系統(tǒng)采用蓄電池供電,平時(shí)處于低功耗的休眠狀態(tài),可通過(guò)定時(shí)喚醒或外部中斷喚醒。這樣既可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,也可以最大限度地降低系統(tǒng)的功耗。當(dāng)井蓋外送電裝置給井蓋電動(dòng)鎖具送電時(shí),同時(shí)給井蓋控制系統(tǒng)的蓄電池供電。

圖2 防盜井蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of an anti-theft manhole cover

防盜井蓋的主要功能包括兩個(gè)部分,即打開和關(guān)閉井蓋以及監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)及窨井內(nèi)的環(huán)境情況。電動(dòng)鎖具在井蓋的內(nèi)側(cè)與控制單元連接,控制單元通過(guò)基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線通訊方式與遙控器或其他井蓋控制單元或無(wú)線通訊模塊配合,由遙控器或遠(yuǎn)程遙控開關(guān)井蓋。井蓋電動(dòng)鎖具的電源由井蓋外送電裝置提供,以防止遠(yuǎn)程誤操作,每個(gè)井蓋對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的編碼。當(dāng)發(fā)現(xiàn)不是經(jīng)遙控器發(fā)出信號(hào)打開的井蓋,認(rèn)為是非法侵入,報(bào)警信號(hào)經(jīng)其他控制單元或無(wú)線通訊模塊傳至數(shù)字化信息系統(tǒng);沒(méi)有防盜裝置的井蓋,可在井口或井座上安裝位移傳感器,當(dāng)發(fā)生井蓋移動(dòng)時(shí),該傳感器發(fā)出信號(hào)送至無(wú)線通訊模塊,由無(wú)線通訊模塊通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)送至GPRS網(wǎng)絡(luò),從而將信息傳送至數(shù)字化信息系統(tǒng)。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the control system

2.2 無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)

無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)由無(wú)線通訊模塊、GPRS通訊模塊、供電模塊和單片機(jī)處理器模塊組成。

無(wú)線通訊模塊采用DIGI公司的XBee-Pro模塊。該模塊一方面負(fù)責(zé)與井蓋的數(shù)據(jù)傳輸,一方面通過(guò)單片機(jī)處理模塊與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),該模塊是一個(gè)專門為中國(guó)大陸市場(chǎng)設(shè)計(jì)的雙頻GSM/GPRS模塊,工作頻段為:EGSM900 MHz和 DCS1800 MHz。SIM 900A支持 GPRSmulti-slot class 10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1,CS-2,CS-3,CS-4。SIM900A采用省電設(shè)計(jì)技術(shù),在SLEEP模式下電流只有1.0 mA。其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,在數(shù)據(jù)傳輸方面非常有用[10]。SIM900A的作用是負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

供電模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)供電。單片機(jī)采用FREESCALE公司的8位處理器MC9S08AW60,主要負(fù)責(zé)XBee-Pro模塊和SIM900A模塊間的數(shù)據(jù)交換,詳見圖4。

無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)主要功能是將ZigBee技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到線纜井防盜監(jiān)控系統(tǒng)中,對(duì)井蓋狀態(tài)甚至可燃性氣體、溫濕度或井下設(shè)備狀況等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,由嵌入式系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理,通過(guò)自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾腉PRS網(wǎng)絡(luò)終端,再由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)字化信息系統(tǒng),能夠彌補(bǔ)有線設(shè)備的缺陷。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)形成自組網(wǎng)絡(luò)。某個(gè)井蓋的數(shù)據(jù)可以通過(guò)多跳中繼方式發(fā)送到井外GPRS網(wǎng)絡(luò)終端,再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送到數(shù)字化信息系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[11-12]。

圖4 無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of a wireless communication gateway

2.3 數(shù)字化信息平臺(tái)

該信息平臺(tái)的主要功能是在線實(shí)時(shí)檢測(cè)窨井井蓋狀態(tài)以及窨井環(huán)境信息(溫度、濕度、可燃性氣體濃度)。該平臺(tái)一般建立在市政管理部門,通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收GPRS網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警和其他相關(guān)信息并與GIS電子地圖結(jié)合,對(duì)各轄區(qū)內(nèi)所屬的井蓋防盜進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度處警和對(duì)工程維護(hù)實(shí)行授權(quán)管理。

為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性,保證操作界面的友好,系統(tǒng)主要采用了以下技術(shù):(1)以Mapx5.0為GIS平臺(tái),支持監(jiān)控窨井井蓋以電子地圖為媒介進(jìn)行可視化高效管理;支持監(jiān)控窨井井蓋異常告警、短信報(bào)警功能;(2)以SQL SERVER2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),采用ADO訪問(wèn)技術(shù),保證了海量數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與快速查詢功能[13];(3)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信,采用多線程處理技術(shù),保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;(4)多視覺顯示監(jiān)控對(duì)象的屬性參數(shù),保證數(shù)據(jù)報(bào)表簡(jiǎn)潔明了,軟件界面友好、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定。

整個(gè)數(shù)字化信息系統(tǒng)由線纜井實(shí)時(shí)信息子系統(tǒng)、報(bào)警及處理子系統(tǒng)、線纜井用戶信息子系統(tǒng)、管理部門及人員信息子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)布及短信子系統(tǒng)和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)構(gòu)成,如圖5所示。

圖5 信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of the information system

3 結(jié)論

目前該系統(tǒng)的研發(fā)工作已基本完成,正在進(jìn)行功能樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市窨井井蓋和窨井內(nèi)環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè),后續(xù)將在系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃陨献鬟M(jìn)一步的完善和改進(jìn)。該項(xiàng)目不僅可以填補(bǔ)我市在窨井防盜及管理信息化方面的空白,減少和杜絕經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害,而且能夠提高我省和我國(guó)各大中城市的市政管理水平,豐富城市數(shù)字市政建設(shè)的內(nèi)容,真正做到市政管理資源的合理應(yīng)用,提升城市的形象和競(jìng)爭(zhēng)力。

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