葉 楊 婷

(江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430056)

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基于ZigBee和GPRS的地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 楊 婷

(江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430056)

針對(duì)目前地鐵環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線組網(wǎng)方式成本高、靈活性差等問(wèn)題，提出了一種以ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在地鐵隧道內(nèi)布設(shè)了無(wú)線傳感器終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)溫度、濕度、煙霧等參數(shù)進(jìn)行采集，通過(guò)ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，最后通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，保證地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。重點(diǎn)闡述了ZigBee的組網(wǎng)方式、各節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，尤其對(duì)ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用層的事件處理函數(shù)的工作流程進(jìn)行了詳細(xì)描述。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

地鐵環(huán)境； ZigBee； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?事件處理函數(shù)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵給居民出行帶來(lái)了很大的便捷，但在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，也可能發(fā)生人為或自然災(zāi)害，比如火災(zāi)、毒氣、地震等，這些地鐵安全事故會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡[1-3]。傳統(tǒng)的地鐵監(jiān)控方案中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用有線接入，建設(shè)和維護(hù)成本較高，系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差[4-5]，因此，設(shè)計(jì)一種低成本、靈活性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保的地鐵環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)保證地鐵安全運(yùn)營(yíng)和提高管理效率具有十分重要的意義[6-7]。本文利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的能耗低、布局靈活、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GPRS的地鐵環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由分布于地鐵隧道內(nèi)的終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接不同的傳感器完成對(duì)溫度、濕度、煙霧等參數(shù)的采集，通過(guò)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與GPRS模塊組成網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心,監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況，也可以發(fā)送命令控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

選擇合適的組網(wǎng)方式對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)十分重要，考慮到地鐵成線性分布，隧道長(zhǎng)度跨度大，因此采用覆蓋范圍廣、自適應(yīng)能力強(qiáng)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足實(shí)際需求。但另一方面，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也很高，如果整個(gè)地鐵網(wǎng)絡(luò)只采用一個(gè)協(xié)調(diào)器，通常會(huì)導(dǎo)致靠近協(xié)調(diào)器的路由器由于轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)過(guò)重而能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為此，可以采取以地鐵車站為單位，將整個(gè)地鐵隧道劃分成以車站為中心的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域[11-12]，一個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和路由器放置在兩車站之間的隧道內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這樣就可以將一個(gè)復(fù)雜的地鐵網(wǎng)絡(luò)分解成簡(jiǎn)單的小網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)并行運(yùn)行，互不干擾，從而大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

圖2 地鐵ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和路由器設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器選用TI公司CC2530芯片為核心控制器。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接各傳感器，完成環(huán)境因子的采集、數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，該節(jié)點(diǎn)如圖3所示，包括電源模塊、微控制器、時(shí)鐘模塊、射頻模塊和存儲(chǔ)器，連接溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器。路由器節(jié)點(diǎn)跟監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致,只不過(guò)被選舉出來(lái)負(fù)責(zé)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的作用。

3.2 協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器通常是一個(gè)能持續(xù)提供能量的增強(qiáng)型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，且處理信息能力較強(qiáng)[13]，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，對(duì)整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析處理，并提供網(wǎng)關(guān)功能，把信息與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接。這里采用ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)，硬件組成如圖4所示，包括CC2530、GPRS模塊、微處理器、外圍射頻發(fā)射電路、外部存儲(chǔ)器。為了增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力，本方案不直接把協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而是添加了MSP430單片機(jī)完成ZigBee協(xié)議與GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。GPRS模塊采用西門子公司的MC35i，微處理器選用了一種低功耗的16位單片機(jī)MSP430F149，MSP430F149自帶兩個(gè)串口[14]，因此可以分別與CC2530協(xié)調(diào)器和GPRS模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議棧采用分層的思想，分為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，應(yīng)用層包含應(yīng)用程序子層、應(yīng)用程序框架層和ZDO設(shè)備對(duì)象[15]。協(xié)議棧中的每一層都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的事件處理函數(shù)，來(lái)完成與這一層相關(guān)的事件和任務(wù)，這些都是要由ZigBee協(xié)議棧的操作系統(tǒng)抽象層OSAL來(lái)進(jìn)行管理[16]。TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧已經(jīng)編寫了從MAC層到ZDO層的事件處理函數(shù)，一般不需要修改，這里只需按照用戶的需求編寫應(yīng)用層的事件處理函數(shù)，下面將詳細(xì)介紹終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層事件處理函數(shù)。

4.1 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層事件處理函數(shù)定義為Environment_ProcessEvent()，工作流程主要分為等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)3個(gè)步驟。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)設(shè)備都必須在加入網(wǎng)絡(luò)后才能完成數(shù)據(jù)的通訊，因此終端節(jié)點(diǎn)在成功加入網(wǎng)絡(luò)后會(huì)從ZDO層向應(yīng)用層發(fā)送系統(tǒng)消息事件SYS_EVENT_MSG，通過(guò)對(duì)應(yīng)的任務(wù)ID號(hào)來(lái)調(diào)用應(yīng)用層的事件處理函數(shù)Environment_ProcessEvent()，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變事件ZDO_STATE_CHANGE，通知應(yīng)用層終端設(shè)備已加入網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以設(shè)置時(shí)間管理函數(shù)Osal_start_timerEx()周期性的觸發(fā)采集事件標(biāo)志位，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)并向外界發(fā)送數(shù)據(jù)。在這里，把一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集看作一個(gè)事件，多個(gè)傳感器不可能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此可以按順序依次觸發(fā)溫度采集事件Temperature_event、濕度采集事件Humidity_event和煙霧采集事件Smoke_event，最后觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送事件Send_event，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，具體的工作流程如圖5所示。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的應(yīng)用層事件處理函數(shù)定義為Coordinator_ProcessEvent()，協(xié)調(diào)器主要完成兩個(gè)任務(wù)：① 接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，通過(guò)協(xié)議解析后發(fā)送給GPRS模塊；② 隨時(shí)監(jiān)聽監(jiān)控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令。同終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作流程類似，協(xié)調(diào)器在成功建立網(wǎng)絡(luò)后，接收系統(tǒng)消息事件SYS_EVENT_MSG來(lái)調(diào)用應(yīng)用層事件處理函數(shù)Coordinator_ProcessEvent()，再通過(guò)消息處理函數(shù)Osal_msg_receive()來(lái)判斷具體是發(fā)生了哪個(gè)事件，如果是AF_INCOMING_MSG_CMD事件，說(shuō)明協(xié)調(diào)器接收到了從ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，那么協(xié)調(diào)器就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理發(fā)送給GPRS模塊；如果是GPRS_COMMAND事件，說(shuō)明協(xié)調(diào)器收到了從GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，再對(duì)命令進(jìn)行相關(guān)處理。具體的工作流程如圖6所示。

圖5 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)事件處理函數(shù)流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

為模擬地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在100 m長(zhǎng)的空曠場(chǎng)地上放置8個(gè)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)路由器，1個(gè)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器放置在測(cè)試區(qū)域的中間，終端節(jié)點(diǎn)每隔10 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心每收到200個(gè)數(shù)據(jù)包后對(duì)其進(jìn)行一次丟包統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)10次這樣的實(shí)驗(yàn)后，情況如表1所示，經(jīng)計(jì)算，平均丟包率為0.4%，符合1%的丟包許可范圍。

表1 數(shù)據(jù)包丟包統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié) 語(yǔ)

基于ZigBee和GPRS的地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。根據(jù)地鐵隧道的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種以地鐵車站為單位的多個(gè)覆蓋區(qū)域的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減輕協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于本系統(tǒng)只列舉了對(duì)地鐵隧道內(nèi)溫度、濕度、煙霧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，稍加擴(kuò)展，便可以對(duì)地鐵內(nèi)更多的環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)控，來(lái)提高地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性。

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·名人名言·

“天才就是勤奮”曾經(jīng)有人這樣說(shuō)過(guò)。如果這話不安全正確，那至少在很大程度上是正確的。沒有非常的精力和工作能力便不可能成為天才。既沒有精力也沒有工作能力的所謂天才，不過(guò)是一個(gè)漂亮的肥皂泡或者是一張只能到月球上去兌現(xiàn)的支票而已。但是，哪里有超于常人的精力和工作能力，那里就有天才。

——李卜克內(nèi)西：《回憶馬克思恩格斯》

Design of Subway Environment Monitoring System Based on ZigBee and GPRS

YEYang-ting

(Physics and Information Engineering Institute， Jianghan University， Wuhan 430056， China)

At present, the subway environmental monitoring system uses wired network, it is high cost and poor flexibility. Aiming at this situation, the ZigBee wireless sensor network technology as the core of the subway environment control system is presented. In this system, the wireless sensor terminal monitoring nodes in the subway tunnel are used to collect parameters such as temperature，humidity and smoke，which are transmitted to the remote monitoring through ZigBee and GPRS network. Finally, the remote monitoring center can monitor the field environment in real time, and ensure the subway safe operation. This paper emphasizes ZigBee networking method, the design of hardware and software. Especially, the workflow of event handler function in the application layer of ZigBee protocol stack is described in detail. The system has the advantages of simple structure, flexible layout, low cost, etc. The results of experiments show that the system is reliable in data transmission with stable performance，so it has good application prospects.

subway environment； ZigBee； network topology； event handler function

2015-03-16

葉楊婷(1983-)，女，湖北武漢人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作。

Tel.：13871263803；E-mail：yeyangting@126.com

U 231.92

A

1006-7167(2015)12-0065-04