基于ZigBee技術(shù)的防盜井蓋控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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很多安全問題。為了解決這一問題，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)的設計方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測井蓋的狀態(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

隨著社會的發(fā)展，城市的規(guī)模越來越大，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，而且還可能導致井下的線纜和設備的丟失和損害，極易導致通訊、供水、電力和供氣等設施的損壞，給企業(yè)的生產(chǎn)和居民的生活帶來巨大損失[1]。因此，融合信息技術(shù)和無線通訊技術(shù)，進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，可以監(jiān)控井蓋的實時狀態(tài)。

2.防盜井蓋系統(tǒng)概述

防盜井蓋主要由遙控器、送電設備、受電器、控制系統(tǒng)、井蓋電動鎖構(gòu)成。原理如圖2所示。防盜井蓋通過接收遙控器或者監(jiān)控中心的指令，打開和關(guān)閉井蓋;同時當井蓋未經(jīng)許可打開時，控制系統(tǒng)發(fā)送報警指令到監(jiān)控中心，提示監(jiān)控中心井蓋被非法打開[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)硬件設計

防盜井蓋控制系統(tǒng)主要包括MC9S08QG8、XBee-Pro、電動鎖具、供電電源、溫度傳感器和位置開關(guān)。整個硬件系統(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

整個防盜井蓋的系統(tǒng)有鉛酸蓄電池供電。由于沒有外部電源補充，所以整個系統(tǒng)平時工作在低功耗狀態(tài)。當井蓋狀態(tài)發(fā)生變化時，可以喚醒整個控制系統(tǒng)。正常情況下控制系統(tǒng)定時喚醒檢測井蓋的狀態(tài)，并通過通訊模塊上傳到監(jiān)控中心。井蓋在需要打開時通過外部電源供電驅(qū)動電動鎖具。

（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)議標準的通訊模塊，可以通過配置實現(xiàn)各種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，包括對等網(wǎng)、點對點和點對多點網(wǎng)絡[2]。在控制系統(tǒng)中，XBee-Pro模塊負責接來自收遙控鑰匙和監(jiān)控中心的指令，打開或者關(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，具有高性能、低功耗的特點[3]。該單片機具有各種常用外設，主要包括定時器、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，可以通過配置寄存器配置成各種功能。該單片機的調(diào)試也非常方便，通過單總線的BDM接口就可以實現(xiàn)仿真和調(diào)試功能。在控制系統(tǒng)中單片機通過XBee-Pro模塊接收指令，控制電動鎖具的打開和關(guān)閉，同時將井蓋內(nèi)的溫度信號傳送到監(jiān)控中心。

（4）電動鎖

電動鎖由直流電機和機械鎖具組成。通過直流電機驅(qū)動機械鎖具來實現(xiàn)打開和關(guān)閉井蓋的功能。

（5）位置開關(guān)

打開和關(guān)閉井蓋時，檢測電動鎖具是否到位。采用干簧管作為位置檢測信號，信號經(jīng)過處理后由單片機負責檢測。

（6）溫度傳感器。

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

4.系統(tǒng)軟件設計

（1）Xbee-Pro模塊設置

XBee-Pro具有非常豐富的功能，所有功能的實現(xiàn)通過Digi公司提供的上位機配置軟件X-CTU進行配置。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)自己的需要通過下載廠家提供的各種固件進行設定[4] [5]。本文的井蓋控制系統(tǒng)中，通過X-CTU配置軟件XBee-Pro模塊配置成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，作為終端節(jié)點進行使用。

（2）MC9S08QG8程序設計

本文涉及的控制系統(tǒng)中，單片機MC9S08QG8采用C語言進行程序的設計和編寫。C語言具有通用性好、方便移植等特點，廣泛用于單片機的程序設計中。上位機編程軟件采用Metrowerks公司專門為嵌入式處理器開發(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

目前整個系統(tǒng)的研發(fā)工作已基本完成，正在進行功能樣機的現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)防盜井蓋的要求，實現(xiàn)對城市窨井井蓋狀態(tài)和窨井內(nèi)溫度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，后續(xù)將在系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃陨献鬟M一步的完善和改進。

參考文獻

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[2]湛江書，謝曉佳，馮發(fā)維.基于Xbee-Pro的礦井安全檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2011，28（2）：207-211.

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

[4]楊增汪，陳斯，顧明亮.基于XBee的無線振動信號檢測傳感器節(jié)點設計[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)絡的實際應用[J].信息技術(shù)，2011，10：193-195.

[6]張立社.集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior的使用方法[J].軟件設計開發(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)及應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2012，11：173-177.

基金項目：山東省信息產(chǎn)業(yè)專項發(fā)展資金項目（項目編號：2011R1802）。

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