解兆延 徐文青 張延波 張曉鵬

【摘要】目前，在城市中井蓋的丟失帶來(lái)很多安全問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，本文采用基于ZigBee技術(shù)的XBee-Pro模塊，提出了一種新型的防盜井蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井蓋的狀態(tài)，避免井蓋丟失造成的人員和車輛的損害。該系統(tǒng)的研發(fā)提升了城市窨井管理的智能化水平，可廣泛應(yīng)用于城市各種類型窨井的監(jiān)控系統(tǒng)中。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;manhole coer;XBee-Pro

1.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市的規(guī)模越來(lái)越大，大量各種類型的城市窨井井蓋出現(xiàn)在城市的道路上。如果井蓋丟失，不僅給人員、車輛造成重大安全隱患，而且還可能導(dǎo)致井下的線纜和設(shè)備的丟失和損害，極易導(dǎo)致通訊、供水、電力和供氣等設(shè)施的損壞，給企業(yè)的生產(chǎn)和居民的生活帶來(lái)巨大損失[1]。因此，融合信息技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)，進(jìn)行新型防盜井蓋的研制至關(guān)重要。本文提出了一種新型的防盜井蓋系統(tǒng)，采用美國(guó)Digi公司的基于ZigBee協(xié)議的通訊模塊Xbee-Pro為核心，控制器采用Freescale公司的MC9S08QG8系列單片機(jī)，可以監(jiān)控井蓋的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.防盜井蓋系統(tǒng)概述

防盜井蓋主要由遙控器、送電設(shè)備、受電器、控制系統(tǒng)、井蓋電動(dòng)鎖構(gòu)成。原理如圖2所示。防盜井蓋通過(guò)接收遙控器或者監(jiān)控中心的指令，打開(kāi)和關(guān)閉井蓋;同時(shí)當(dāng)井蓋未經(jīng)許可打開(kāi)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警指令到監(jiān)控中心，提示監(jiān)控中心井蓋被非法打開(kāi)[7]。

圖1 防盜井蓋結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Anti-theft Manhole cover structure diagram

3.防盜井蓋控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

防盜井蓋控制系統(tǒng)主要包括MC9S08QG8、XBee-Pro、電動(dòng)鎖具、供電電源、溫度傳感器和位置開(kāi)關(guān)。整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

Fig.2 Control System diagram

（1）電源

整個(gè)防盜井蓋的系統(tǒng)有鉛酸蓄電池供電。由于沒(méi)有外部電源補(bǔ)充，所以整個(gè)系統(tǒng)平時(shí)工作在低功耗狀態(tài)。當(dāng)井蓋狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以喚醒整個(gè)控制系統(tǒng)。正常情況下控制系統(tǒng)定時(shí)喚醒檢測(cè)井蓋的狀態(tài)，并通過(guò)通訊模塊上傳到監(jiān)控中心。井蓋在需要打開(kāi)時(shí)通過(guò)外部電源供電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)鎖具。

（2）XBee-Pro

本系統(tǒng)采用的通訊模塊式Digi公司的XBee-Pro模塊。它是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的通訊模塊，可以通過(guò)配置實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括對(duì)等網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)[2]。在控制系統(tǒng)中，XBee-Pro模塊負(fù)責(zé)接來(lái)自收遙控鑰匙和監(jiān)控中心的指令，打開(kāi)或者關(guān)閉防盜井蓋。

（3）MC9S08QG8

MC9S08QG8是Freescale公司的基于HCS08內(nèi)核的8位單片機(jī)，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)[3]。該單片機(jī)具有各種常用外設(shè)，主要包括定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通訊接口、SPI總線接口、IIC總線接口。它的I/O接口功能豐富，可以通過(guò)配置寄存器配置成各種功能。該單片機(jī)的調(diào)試也非常方便，通過(guò)單總線的BDM接口就可以實(shí)現(xiàn)仿真和調(diào)試功能。在控制系統(tǒng)中單片機(jī)通過(guò)XBee-Pro模塊接收指令，控制電動(dòng)鎖具的打開(kāi)和關(guān)閉，同時(shí)將井蓋內(nèi)的溫度信號(hào)傳送到監(jiān)控中心。

（4）電動(dòng)鎖

電動(dòng)鎖由直流電機(jī)和機(jī)械鎖具組成。通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械鎖具來(lái)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)和關(guān)閉井蓋的功能。

（5）位置開(kāi)關(guān)

打開(kāi)和關(guān)閉井蓋時(shí)，檢測(cè)電動(dòng)鎖具是否到位。采用干簧管作為位置檢測(cè)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后由單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)。

（6）溫度傳感器。

溫度傳感器采用熱敏電阻。熱敏電阻產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后有單片機(jī)ADC模塊采集后通過(guò)XBee-Pro模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）Xbee-Pro模塊設(shè)置

XBee-Pro具有非常豐富的功能，所有功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)Digi公司提供的上位機(jī)配置軟件X-CTU進(jìn)行配置。XBee-Pro模塊可以工作在AT命令模式和API模式，用戶可以根據(jù)自己的需要通過(guò)下載廠家提供的各種固件進(jìn)行設(shè)定[4] [5]。本文的井蓋控制系統(tǒng)中，通過(guò)X-CTU配置軟件XBee-Pro模塊配置成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用。

（2）MC9S08QG8程序設(shè)計(jì)

本文涉及的控制系統(tǒng)中，單片機(jī)MC9S08QG8采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。C語(yǔ)言具有通用性好、方便移植等特點(diǎn)，廣泛用于單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)中。上位機(jī)編程軟件采用Metrowerks公司專門為嵌入式處理器開(kāi)發(fā)的CodeWarrior 6.0，它具有通用編程軟件具有的所有功能，包括IDE、調(diào)試器、鏈接器和編譯器等，還支持匯編語(yǔ)言的編程[6]。MC9S08QG8的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

Fig.3 program flow diagram

5.結(jié)論

目前整個(gè)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)果表明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)防盜井蓋的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市窨井井蓋狀態(tài)和窨井內(nèi)溫度等環(huán)境參數(shù)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)。

參考文獻(xiàn)

[1]李向紅.城市路面井蓋管理問(wèn)題探討[J].市政技術(shù)，2009， 27（6）：560-563.

[2]湛江書(shū)，謝曉佳，馮發(fā)維.基于Xbee-Pro的礦井安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，28（2）：207-211.

[3]任勇，傅雪驕，張超.基于MC9S08QG8低端微控制器的無(wú)線控制器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線通訊，2009，296（9）：52-55.

[4]楊增汪，陳斯，顧明亮.基于XBee的無(wú)線振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2010，12：51-52.

[5]郭航宇，周鳳星.基于XBee-Pro模塊組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2011，10：193-195.

[6]張立社.集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeWarrior的使用方法[J].軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，2012，8：143-145.

[7]徐文青，解兆延，門興，王繼祥.基于ZigBee與非接觸供電的井蓋防盜技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，11：173-177.

基金項(xiàng)目：山東省信息產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)發(fā)展資金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2011R1802）。

作者簡(jiǎn)介：解兆延（1981—），男，主要從事單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)、電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)研究。