基于LM3S9B92和Zigbee技術的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)*

劉鵬

(重慶電子工程職業(yè)學院通信工程學院，重慶401331)

?

基于LM3S9B92和Zigbee技術的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)*

劉鵬*

(重慶電子工程職業(yè)學院通信工程學院，重慶401331)

摘要:以LM3S9B92為核心設計了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)城市軌道施工環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，人員定位和設備遠程控制等功能。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)構成特點，對系統(tǒng)總體方案、系統(tǒng)硬件設計方案和系統(tǒng)軟件設計方案進行了設計和實現(xiàn)。經(jīng)城市軌道施工環(huán)境測試，該系統(tǒng)各個功能模塊性能良好，很好的實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、人員定位和語音通信，設備的遠程控制等功能，達到了預期的設計目標。

關鍵詞:LM3S9B92; Zigbee;嵌入式;軌道交通;安全監(jiān)控系統(tǒng)

軌道交通是解決能源危機和實現(xiàn)環(huán)保交通的重要手段，對解決城市矛盾，改變城市布局，實現(xiàn)城市環(huán)境和交通綜合治理，引導城市走可持續(xù)發(fā)展之路起到了強大作用。目前，我國的城市軌道交通進入快速發(fā)展階段，目前我國25個城市正在進行城市軌道交通的前期工作，總規(guī)劃里程超過5 000 km，總投資估算超過8 000億元。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出加強落實城市公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，但是我國地鐵等軌道交通的建設、運營安全等問題日益突出［1］。本文以LM3S9B92為核心開發(fā)設計了一套基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和Web Server的城市軌道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)。Zigbee作為新興的無線通信網(wǎng)絡技術，具有高容量，高延展性，高可靠性等優(yōu)點，非常適合應用于復雜地理環(huán)境下的監(jiān)控領域［2］。本文的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。監(jiān)控中心的電腦終端通過串口或以太網(wǎng)、LM3S9B92、CAN總線、轉發(fā)器等對工人的安全進行實時監(jiān)測。在發(fā)生緊急情況時，工人可以通過臨近節(jié)點上的報警裝置向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號。突發(fā)情況時，節(jié)點設備遭到破壞時，可以利用Zigbee網(wǎng)絡的自組織特性，通過人工布置節(jié)點實現(xiàn)迅速組網(wǎng)，重新恢復整個系統(tǒng)的功能。本文的技術突破，可以為軌道交通的施工安全提供強有力的技術保障體系，對新技術和交叉學科的發(fā)展具有積極的意義。

圖1　系統(tǒng)示意圖

1　系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)以LM3S9B92作為核心控制器，包含Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡、轉發(fā)器、CAN總線傳輸和串口或以太網(wǎng)組成［3］。系統(tǒng)結構如圖2所示。每個工人配備一個無線傳感器節(jié)點，在工人所經(jīng)過的路線上會沿路放置一些轉發(fā)器。工人在移動的過程中身上攜帶的傳感器節(jié)點能夠自動和不同的轉發(fā)器進行通信，把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。轉發(fā)器收到傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)幀之后，在數(shù)據(jù)幀前面加上轉發(fā)器的ID，組成一個新的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上。和CAN總線相連的LM3S9B92收到CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)幀之后，將該數(shù)據(jù)幀轉換成能夠通過串口或者以太網(wǎng)方式向地上監(jiān)控中心的監(jiān)控電腦發(fā)送。監(jiān)控中心的電腦收到數(shù)據(jù)幀之后，將更新監(jiān)控界面上對應傳感器節(jié)點上的對應的測量值，當環(huán)境參數(shù)值超過極限值時，監(jiān)測中心的電腦也會發(fā)出報警聲。監(jiān)測中心的電腦將記錄任意時刻收到的數(shù)據(jù)，為發(fā)生事故之后對事故原因分析提供依據(jù)。另外，當意外事故發(fā)生時(如工人摔傷)，工人可以按下其攜帶的傳感器節(jié)點上的求救按鈕，此時傳感器節(jié)點和監(jiān)測中心都會發(fā)出報警信號。傳感器節(jié)點發(fā)出報警聲時，四周的工人將過來援助;監(jiān)測中心發(fā)出報警聲時，可以根據(jù)轉發(fā)器和傳感器的ID號來確定其位置和身份。

圖2　系統(tǒng)方案框圖

2　系統(tǒng)硬件設計方案

系統(tǒng)硬件由電源管理模塊、傳感器模塊、無線射頻模塊和LM3S9B92控制器模塊組成［4］。

本系統(tǒng)電源管理模塊設計了2種電源供電方式，5V直流電源供電和3V電池供電［5］。通過LMlll7－3.3把5 V的直流電轉化為3.3 V。此外還有3 V電池電源輸入口?？紤]到本系統(tǒng)中定位參考節(jié)點安裝位置的固定性和待定位盲節(jié)點設備的移動性，使用時根據(jù)各個設備的特點和實際使用時的現(xiàn)場環(huán)境，可以通過SW-SPDT開關在兩種供電方式之間進行切換。對于待定位的移動盲節(jié)點設備，考慮到其移動性，主要采用電池供電。而對于系統(tǒng)中安裝位置固定的參考節(jié)點設備，在工作時不需要移動，可以選擇直流電供電并同時給電池充電，以減少更換電池帶來的操作不便，當發(fā)生意外情況，直流供電線路遭到破壞時，可以轉換為電池供電，從而保證系統(tǒng)的正常運行。同時，電源管理模塊使用能量采集技術延長電源的使用時間，可以減少電池所需要的充電的次數(shù)［6－8］。

圖3　系統(tǒng)硬件結構

在本系統(tǒng)傳感器模塊中，城市軌道施工作業(yè)人員攜帶的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包括了環(huán)境參數(shù)采集的電路和報警電路［9－10］。由于瓦斯的主要成分包括甲烷、一氧化碳，有必要對這二種氣體的濃度進行檢測，一旦這二種參數(shù)到達預定值，報警系統(tǒng)就會給出警告。另外，為了對城市軌道施工環(huán)境更加了解，我們對煙霧濃度、溫度參數(shù)也進行的采集，監(jiān)測中心的電腦可以隨時顯示任意工人所處環(huán)境的這4個參數(shù)。

表1　傳感器網(wǎng)絡信息

表1為傳感器的網(wǎng)絡信息。其中，參數(shù)類型包含了所要采集的五類環(huán)境參數(shù)。器件類型是各個參數(shù)類型所采用的傳感器器件。傳輸數(shù)據(jù)類型是在整個系統(tǒng)中傳遞數(shù)據(jù)時，用它來代表參數(shù)類型，比如傳輸數(shù)據(jù)類型為3，代表此時傳輸?shù)氖且谎趸紳舛鹊臄?shù)據(jù)。ZigBee節(jié)點對應引腳為井下作業(yè)人員攜帶的ZigBee終端節(jié)點與環(huán)境參數(shù)采集電路連接時所使用的引腳。

本系統(tǒng)無線射頻模塊采用ZigBee無線網(wǎng)絡技術，可以在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信［11］。這些傳感器只需要很低的功耗，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，因此它們的通信效率非常高。城市軌道施工作業(yè)人員不可能一直呆在一個地方，他可能從一個網(wǎng)絡進入下一個網(wǎng)絡。此時，ZigBee的自組織功能能夠自動斷開已建的網(wǎng)絡切換到新的網(wǎng)絡，從而便于工人從一個轉發(fā)器網(wǎng)絡切換到另一個轉發(fā)器網(wǎng)絡。此外ZigBee節(jié)點的主控芯片為CC2530，可完成A/D采樣而無需增加其它的A/D采樣芯片，這可以縮小傳感器節(jié)點的大小。

本系統(tǒng)LM3S9B92控制器模塊為了進行PC機近距離通信和維護，可以使用串口通信［12］。或者為了方便進行遠距離通信和維護，可以使用以太網(wǎng)通信。LM3S9B92支持CAN2.0協(xié)議，通信速率最高可達1 Mbit/s，支持32個擁有獨立標識的消息對象，因此完全能夠滿足CAN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3　系統(tǒng)軟件設計方案

本系統(tǒng)的軟件設計主要包括Zigbee協(xié)議棧Z-Stack的開發(fā)和節(jié)點傳感器程序設計兩部分。

在Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡中，Z-Stack的開發(fā)主要包括轉發(fā)器節(jié)點程序和執(zhí)行各種功能的終端節(jié)點程序開發(fā)。Zigbee無線定位網(wǎng)絡的轉發(fā)器不但負責建立和管理網(wǎng)絡，而且是Zigbee網(wǎng)絡與PC機之間進行數(shù)據(jù)轉發(fā)的樞紐。轉發(fā)器工作流程如圖4所示。

參考節(jié)點是Zigbee無線定位系統(tǒng)中已知坐標的靜態(tài)節(jié)點，主要作用是擔當Zigbee網(wǎng)絡的路由器，它的任務主要是給待定位的移動盲節(jié)點提供包含自身位置X，Y坐標和RSSI值的信息包。通常情況下，一個定位區(qū)域具有3個～8個參考節(jié)點，參考節(jié)點工作流程如圖5所示，查看參看節(jié)點配置的流程如圖6所示。

本系統(tǒng)盲節(jié)點定位設計采用基于RSSI的定位方法。待定位的移動盲節(jié)點收集到臨近參考節(jié)點發(fā)送的RSSI值和其X，Y坐標值后，利用理論和經(jīng)驗模型將傳播損耗轉化為距離，之后將其輸入到芯片內的定位引擎，再利用三邊測量的方法計算出待定位移動盲節(jié)點的位置信息［13］。

圖4　轉發(fā)器建網(wǎng)和子節(jié)點入網(wǎng)流程

圖5　參考節(jié)點工作流程

三邊測量的方法如圖7所示。已知三個參考節(jié)點的坐標分別為A(XA，YA)、B(XB，YB)、C(XC，YC)，以及它們到移動盲節(jié)點D的距離分別為dA、dB、dC。那么存在下列方程組:

圖6　查看參看節(jié)點配置

由式(1)可得D(X，Y)的坐標為:

在城市軌道施工中，由于無線信號的多重反射，會使得三邊測量法定位缺乏準確性。因此，本系統(tǒng)以三邊測量法為基礎，采用文獻［14］中的錨節(jié)點加權補償定位算法。該算法利用錨節(jié)點自身的定位功能，通過加權質心方法獲得定位系統(tǒng)在錨節(jié)點附近的區(qū)域定位誤差，并對該誤差進行補償，從而提高該區(qū)域盲節(jié)點的定位精度。

圖7　三邊測量法示意圖

本系統(tǒng)對終端節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)采集設計了周期采集和睡眠兩種工作模式。在周期采集模式中，網(wǎng)絡中的終端節(jié)點按照系統(tǒng)設定的時間間隔對傳感器數(shù)據(jù)進行采集和上傳，當采集和發(fā)送完成以后，終端節(jié)點將轉入睡眠模式。節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8　節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)采集流程

4　測量結果及結論

圖9是Zigbee移動終端和轉發(fā)器實物圖，圖10 是Zigbee各個子節(jié)點實物圖。本系統(tǒng)的測量過程，在城市軌道施工環(huán)境下進行。測量過程在不同的位置安裝了8個Zigbee子節(jié)點設備。在測量過程中，系統(tǒng)可以搜索到各個節(jié)點設備，并在網(wǎng)絡中能夠準確的傳輸控制指令和傳感器信息。測量結果如表2所示。由測量結果可以看出，系統(tǒng)最大誤差:0.8 m，符合城市軌道施工定位要求［15，16］。

圖9　Zigbee移動終端和轉發(fā)器

表2　測量結果

通過對整個系統(tǒng)的測試我們得到以下結論，該系統(tǒng)能夠在環(huán)境參數(shù)超過事先設定好的上限值時工人隨身攜帶的傳感器節(jié)點發(fā)出報警聲，同時PC機的監(jiān)控程序也能夠發(fā)出報警聲，監(jiān)控界面上的超出預設值的節(jié)點能夠閃爍。當工人按下求救按鈕時，傳感器節(jié)點能夠發(fā)出求救聲，同時PC機上的監(jiān)控程序也能夠收到求助信號發(fā)出報警聲并顯示出求救的節(jié)點。經(jīng)城市軌道施工環(huán)境測試，本系統(tǒng)各個功能模塊性能良好，很好的實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、人員定位和語音通信，設備的遠程控制等功能，達到了預期的設計目標。

圖10　Zigbee各個子節(jié)點

參考文獻:

［1］王忠文，方鳴.城市軌道交通安全評估現(xiàn)狀綜述［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2013(5):1－5.

［2］侯艷波，秦會斌，胡建人，等.基于嵌入式和ZigBee技術的節(jié)能系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2012，35(6):670－673.

［3］胡林權.基于LM3S9B92的鋰離子電池充電器的設計與實現(xiàn)［J］.微型機與應用，2012，31(14):85－87.

［4］杜娟，賈海瑞，李眾立.基于邏輯區(qū)域的ZigBee網(wǎng)絡地址分配算法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，33(1):126－129.

［5］林光，李傳偉.礦井提升機控制系統(tǒng)的電源設計［J］.煤礦機電，2010(3):62－65.

［6］Qian Huang，Chao Lu，Mark Shaurette.Feasibility Study of Indoor Light Energy Harvesting for Intelligent Building Environment Management［C］//International High Performance Buildings Conference.USA，2010:1－6.

［7］趙慶平，苗曙光，趙鑫.基于LEACH協(xié)議的WSNs樓宇環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.電子器件，2014，37(3):493－497.

［8］Chao Lu，Vijay Raghunathan，Kaushik Roy.Efficient Design of Micro-Scale Energy Harvesting Systems［J］.IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems，2011，1(3):254－266.

［9］江杰，李計川.基于DS18B20的高精度溫度測量系統(tǒng)在高爐上的應用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(11):144－146，152.

［10］琚雪梅，張巍，畢東云.紅外吸收型CO2氣體傳感器的設計［J］.傳感器技術，2005，24(8):62－64.

［11］張美琪.LM3S系列微控制器的高效RS485通信設計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2010，26(5):136－138.

［12］田紅霞，戴彥，鹿玉紅.基于FPGA的RS232串行接口設計［J］.煤炭技術，2010，29(9):194－196.

［13］譚志，張卉.無線傳感器網(wǎng)絡RSSI定位算法的研究與改進［J］.北京郵電大學學報，2013，36(3):88－91，107.

［14］葛文濤，陳俊杰.基于三邊定位的WSN錨節(jié)點加權補償算法［J］.測控技術，2010，29(9):92－95.

［15］李書生.城市地鐵軌道施工技術［J］.科技傳播，2013，(24):157－158.

［16］馬堯成.城市軌道交通地面施工控制網(wǎng)測量與研究［J］.都市快軌交通，2011，24(1):41－45.

劉　鵬(1977－)，男，漢族，山東威海人，重慶電子工程職業(yè)學院，副教授，博士，從事計算機通信技術方面研究，pengliu789@126.com。

Design and Implementation of Intelligent Nursing Bed System Based on Ethernet*

CHANG Guoquan*，HOU Guifa，GUO Xiaobo
(Department of Computer Science and Information Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang He’nan 455000，China)

Abstract:In order to provide better care and nurse for the old，disabled people，reduce the working strength of the nursing staff and improve the nursing efficiency and quality，using STM32 microcontroller and ENC28J60 Ethernet chip，an intelligent nursing bed system with network function was designed.By collecting and processing sensor signals of nursing bed，STM32 microcontroller completed automatic urinal，left and right turning，interactive operation，automatic alarm，network management，centralized supervision function and so on.After being tested，the system was proved to be safe and reliable，simple operation，convenient management and good results were obtained.

Key words:nursing bed; STM32 microcontroller; ENC28J60; uIP protocol stack; ACS712ELC

doi:EEACC:6210C10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.035

收稿日期:2014－11－20修改日期:2014－12－10

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0887－06

項目來源:重慶市教委科學技術研究項目(KJ1402909);重慶市教育科學“十二五”規(guī)劃2014年度重點課題項目(2014－GX－055)