，，

（1.安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455002；2.天津科技大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222）

1 引言

城市管網(wǎng)是一個城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。然而它所具有的隱蔽性、復(fù)雜性以及分布的廣泛性等特點導(dǎo)致了管網(wǎng)的實時運行工況難以測量和集中監(jiān)控。因而一旦事故發(fā)生，調(diào)度人員無法及時制定合理有效的搶修方案。目前我國許多城市對管網(wǎng)系統(tǒng)運行參數(shù)的采集仍采用專人定期定點巡檢和抄錄，定期向其所屬的調(diào)度中心報告運行數(shù)據(jù)的方法。這種方法收集的信息數(shù)據(jù)量少、速度緩慢，調(diào)度部門無法實時獲取管網(wǎng)動態(tài)運行參數(shù)，也不能及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運行中出現(xiàn)的故障，影響了管網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行。

針對上述問題，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊節(jié)點綁定，增大傳感器節(jié)點的布置密度，從而提高管網(wǎng)監(jiān)測的實時性、全面性和精確性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：上位機監(jiān)控中心、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

由于城市管網(wǎng)分布范圍廣，空間跨度大，為了能夠系統(tǒng)而全面地監(jiān)測整個管網(wǎng)內(nèi)介質(zhì)的壓力和流量參數(shù)，我們將整個城市的管網(wǎng)系統(tǒng)劃分為多個區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)構(gòu)建一個獨立的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間相互獨立，互不通信，只有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點可以相互交換數(shù)據(jù)。每個獨立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)都采用Mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個傳感器節(jié)點組成。大量的傳感器節(jié)點安裝在城市管網(wǎng)的管線上，負責(zé)采集管線內(nèi)自來水、燃氣和蒸汽的壓力及流量參數(shù)。每個傳感器節(jié)點都是路由節(jié)點，可以自由連接通信，數(shù)據(jù)沿著這些傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)多跳路由后到達ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS模塊綁定，負責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)上報，將其進行融合處理后傳給GPRS模塊，由GPRS模塊經(jīng)由GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心計算機。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。控制中心通過Internet網(wǎng)絡(luò)獲取現(xiàn)場的相關(guān)信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

3 ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低復(fù)雜度、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種雙向傳輸?shù)臒o線通信標準。它依據(jù)IEEE 802.15.4標準，在成百上千個微小的傳感器節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它的通信效率很高。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，ZigBee具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點，這些優(yōu)點使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標準的物理層和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層所組成?；赯igBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按功能可分為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）、路由器（router）、終端設(shè)備（end device）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor network）是由一組傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中大量的傳感器節(jié)點協(xié)同工作，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息，這些信息可由自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼的方式傳送到監(jiān)控中心，使監(jiān)測者能夠?qū)崟r準確地獲取監(jiān)測區(qū)域的詳細信息?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：

1）通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。ZigBee采用了MAC層完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，通信可靠性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES－128；

2）設(shè)備省電，功耗極低。ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可確保2節(jié)普通電池支持長達6個月到2a左右的使用時間；

3）時延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時延在15～30ms之間，非常適合實時監(jiān)控應(yīng)用；

4）成本低廉，網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee協(xié)議是免專利費的，可有效降低設(shè)備成本；網(wǎng)絡(luò)容量龐大，每一個網(wǎng)絡(luò)多達65 536個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 ZigBee無線傳感器節(jié)點設(shè)計

ZigBee無線傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。其主要作用是對自來水、燃氣、蒸汽流量和壓力信號的采集和處理，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點或?qū)⑾噜徆?jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或更靠近網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的節(jié)點。無線傳感器節(jié)點一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元組成。從節(jié)能和系統(tǒng)集成的角度考慮，我們選擇了使用CC2430無線單片機為硬件核心來實現(xiàn)傳感器節(jié)點的功能。傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of sensor node

CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee無線單片機，它是以經(jīng)典的8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機，也稱為“射頻SOC”。它以其優(yōu)異的無線性能、超低功耗、超低成本，在單片機技術(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)了單片機無線化和無線網(wǎng)絡(luò)化的全新時代。CC2430在7mm×7mm的芯片上集成了可編程閃存以及通過認證的ZigBee TM協(xié)議棧、ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包含14位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、看門狗定時器等。目前TI提供CC2430 ZigBee2006全套協(xié)議棧的免費下載。

CC2430將全部的ZigBee／802.15.4需要的RF前端電路完全集成到了單片機內(nèi)部，所以非常適合用來構(gòu)建微型化的無線傳感器節(jié)點，實現(xiàn)真正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單芯片解決方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上電運行后，CC2430首先申請加入網(wǎng)絡(luò)，成功后定時啟動A／D轉(zhuǎn)換器對壓力和流量信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送數(shù)據(jù)傳輸單元RF前端，經(jīng)過天線進行發(fā)送。

4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后上傳給監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力比較強，它一方面通過射頻模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，另一方面通過GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接。實現(xiàn)兩種協(xié)議的直接轉(zhuǎn)換，接受監(jiān)測中心的監(jiān)控任務(wù)，把收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò)相連的監(jiān)測中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由射頻收發(fā)模塊、AVR單片機、存儲器、GPRS通信模塊、電源管理模塊等部分組成，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of coordinator node

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的射頻收發(fā)模塊負責(zé)與ZigBee傳感器節(jié)點進行通信，接收傳感器節(jié)點上傳的壓力和流量數(shù)據(jù)。射頻收發(fā)模塊的核心采用CC2420芯片，它是TI公司推出的第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件，利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率可達250kB／s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，最遠傳輸距離可達200m。處理器模塊與無線收發(fā)模塊之間的連接非常簡單，CC2420使用SFD，F(xiàn)IFO，F(xiàn)IFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)。微處理器是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心，決定著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的性能，因此我們采用了Atmel公司的ATmega128L做為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的微處理器。

GPRS模塊采用法國Wavecom公司Q2406A通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能。Q2406A整合了GPRS模塊與標準接口，提供語音通信和短消息方式通信的功能，完美地支持網(wǎng)絡(luò)連接及無線上網(wǎng)。Q2406A內(nèi)建TCP／IP協(xié)議，提供安全、透明的傳輸信道，大大降低了設(shè)計的難度，同時也提高了微處理器處理其他數(shù)據(jù)的能力。Q2406A與微處理器的連接非常簡單，使用標準串口直接與微處理器的串口連接。它支持標準的AT命令，通過AT命令實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、分組數(shù)據(jù)協(xié)議激活、Internet的連接，成功獲得IP地址后便可以開始與遠程監(jiān)控中心通信，這樣就建立了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同Internet的通信鏈路。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括上位機軟件和下位機軟件的開發(fā)設(shè)計。上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用基于面向TCP／IP協(xié)議的Socket通訊機制的C／S結(jié)構(gòu)，結(jié)合SQL server 2000數(shù)據(jù)庫，采用VC＋＋編寫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示，同時對接收的數(shù)據(jù)進行實時分析后存入數(shù)據(jù)庫。下位機軟件主要實現(xiàn)了GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通訊。

5.1 基于動態(tài)域名解析的GPRS模塊同監(jiān)控中心的通信實現(xiàn)方法

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點通過GPRS模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后再連接到Internet公網(wǎng)，監(jiān)控中心計算機通過Internet公網(wǎng)與GPRS模塊建立通信。由于目前IP地址資源緊張，監(jiān)控中心計算機沒有固定的IP，而是采用ADSL上網(wǎng)方式，每次上網(wǎng)使用的是ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商）提供的動態(tài)IP。同時數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的GPRS模塊是使用CMNET接入Internet網(wǎng)，其IP地址也是動態(tài)的，因此二者無法通過IP地址建立通信。為解決此問題，我們采用了動態(tài)域名解析的方式。

采用動態(tài)域名解析方案，首先為監(jiān)控中心計算機申請一個域名，然后這個域名寫入各GPRS模塊中。監(jiān)控中心計算機接入Internet后，與DNS服務(wù)器進行連接，向DNS服務(wù)器報告當前計算機獲得的動態(tài)IP地址。GPRS模塊上電后，先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，最終找到監(jiān)控中心計算機的公網(wǎng)動態(tài)IP，這樣就可以實現(xiàn)監(jiān)控中心計算機同現(xiàn)場GPRS模塊之間的通信。當前國內(nèi)有許多DNS服務(wù)商提供動態(tài)域名解析服務(wù)，采用的是花生殼動態(tài)域名解析服務(wù)軟件。我們在網(wǎng)域科技網(wǎng)上為監(jiān)控中心計算機申請了自己的固定域名，并通過花生殼客戶端軟件將其與動態(tài)IP地址綁定。

圖4為啟動花生殼客戶端后顯示的域名診斷結(jié)果。圖4中“域名IP地址指向”后面的地址就是域名解析后的監(jiān)控中心動態(tài)IP地址。

圖4 動態(tài)域名解析實現(xiàn)Fig.4 Dynamic DNS implementation

限于篇幅，對于上位機的軟件設(shè)計，這里只給出Socket通信模塊的實現(xiàn)結(jié)果，見圖5。

圖5 Socket通信模塊Fig.5 Socket communications module

5.2 無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個無線傳感器節(jié)點，采用了IAR編譯環(huán)境進行開發(fā)，程序中實現(xiàn)的主要是傳感數(shù)據(jù)的定時采集、定時發(fā)送、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及路由功能。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點是以ATmega128L為核心的系統(tǒng)，所以采用了ICC AVR進行開發(fā)。ZigBee無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序框圖如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點程序框圖Fig.6 Sensor nodes and coordinator node block diagram

6 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

為驗證本監(jiān)測系統(tǒng)的性能，進行了如下實驗：將無線傳感器節(jié)點安裝在室外的實驗用自來水管道上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器放置于距離傳感器節(jié)點大約100m左右的位置，監(jiān)控中心設(shè)在實驗室內(nèi)。同時在試驗管道上安裝一個帶標準RS232接口的數(shù)據(jù)采集模塊，直接將采集到數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場的筆記本電腦。通過對比2套系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，從而判斷無線監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

試驗中對管網(wǎng)的壓力和流量數(shù)據(jù)進行實時采集和傳輸。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)對比表Tab.1 Data contrast

從測試結(jié)果可以看出，基于ZigBee技術(shù)的管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性。

7 結(jié)論

本文提出的利用動態(tài)域名解析實現(xiàn)GPRS模塊同監(jiān)控中心計算機建立通信連接的方法不僅節(jié)省了IP地址資源，而且使監(jiān)控中心能夠更加方便和靈活地使用GPRS網(wǎng)絡(luò)?；赯igBee技術(shù)和GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的城市管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)較好地滿足了城市管網(wǎng)的實時監(jiān)測要求，保證了管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時性、可靠性和完整性。實踐證明，ZigBee技術(shù)同GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是遠程監(jiān)控系統(tǒng)首選的無線通信方式。

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