基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)

楊永超，曾 剛，黃 勇，黃 林（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北　恩施445000）

基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)

楊永超，曾 剛，黃 勇，黃 林
（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000）

針對城市窨井因內(nèi)部可燃性氣體濃度過高產(chǎn)生爆炸、水位太高而損壞內(nèi)部線纜或井蓋丟失、移位造成重大生命財產(chǎn)損失等各類事故，設(shè)計了一種基于Zigbee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測窨井內(nèi)燃?xì)鉂舛?、水位以及井蓋是否丟失或移位等各種安全隱患信息，一旦超過設(shè)定的安全閾值，告警信息便能通過GSM手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)及時傳送至監(jiān)控中心，提醒市政管理部門采取措施，避免生命財產(chǎn)遭受損失。系統(tǒng)測試結(jié)果表明:其運行達(dá)到預(yù)期效果，具有很好的實用推廣價值。

窨井；安全監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；Zigbee

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，市政公共基礎(chǔ)建設(shè)力度逐年加大，與之相應(yīng)的各種城市地下管網(wǎng)越來越復(fù)雜和龐大。窨井是管理、安裝和維護(hù)城市地下管線如電力、通信、燃?xì)?、污水、供水、有線電視等各種重要設(shè)施的重要通道，一般由井基座、井身、井頸和井蓋等部分組成［1］。但是，由于目前缺乏有效的實時監(jiān)測手段，若地下管道發(fā)生漏氣、漏水、甲烷濃度超標(biāo)等問題，管理部門往往無法在第一時間得到信息以致造成重大的安全事故；同時，由于車輛碾壓、人為盜竊以及雨季積水等原因造成井蓋丟失而帶來的財產(chǎn)損失、人身安全等嚴(yán)重后果時有發(fā)生［2-3］。因此，為了保障公共設(shè)施的安全正常運行，保護(hù)人民生命及財產(chǎn)安全，迫切需要加強(qiáng)對城市道路窨井的井下安全監(jiān)測及井蓋丟失管理［4］。但是，由于城市窨井及井蓋數(shù)量大、分布廣，依靠人工方式對各個窨井及井蓋進(jìn)行巡視和檢查，其效率低下、實時性差，而且也很難測定井下如天然氣、甲烷等可燃性氣體的濃度［5-6］。隨著信息化時代的到來和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于Zigbee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其優(yōu)異的性能已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個方面。

Zigbee技術(shù)是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信協(xié)議，其自組網(wǎng)、自愈和、多組網(wǎng)方式、三級安全模式等優(yōu)點為無線網(wǎng)絡(luò)的建立帶來了方便［7-10］。本文將Zigbee技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到城市窨井的安全監(jiān)控中，構(gòu)建了基于Zigbee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井井下氣體濃度、水情以及井蓋移動與否的實時監(jiān)測系統(tǒng)，一旦有可燃性氣體濃度超標(biāo)、水位超標(biāo)或井蓋移動等情況，系統(tǒng)將立即向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息，從而為市政管理部門迅速實施相應(yīng)的解決措施提供有效的途徑。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1Zigbee技術(shù)簡介

Zigbee技術(shù)是一種采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的短距離、低速率、低成本以及低功耗的雙向無線通信技術(shù)，它基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為868～915 MHz或2.4 GHz的ISM頻段，與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，該技術(shù)的突出優(yōu)點是應(yīng)用簡單、耗能低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、可靠性高以及成本低［11-13］。將低功耗的Zigbee技術(shù)應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來對數(shù)量龐大的城市窨井內(nèi)的環(huán)境及井蓋進(jìn)行實時監(jiān)測，將給市政管理部門對窨井的管理和維護(hù)帶來了極大的便利，同時可以最大程度地保障井內(nèi)各重要的基礎(chǔ)設(shè)施和城市居民的生命財產(chǎn)安全。

1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

在圖1中，對于窨井相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程主要由窨井?dāng)?shù)據(jù)采集和監(jiān)測終端節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點、Zigbee協(xié)調(diào)器、GSM模塊以及監(jiān)控終端等部分組成。位于每個窨井處的監(jiān)測終端節(jié)點主要完成對窨井內(nèi)水位、氣體濃度以及井蓋是否移動或丟失等數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后尋找和連接路由節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；Zigbee路由節(jié)點主要用于在路由節(jié)點之間或路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間傳遞數(shù)據(jù)包，每個路由節(jié)點下?lián)碛杏扇舾蓚€監(jiān)測終端子節(jié)點構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集終端子網(wǎng)絡(luò)；Zigbee協(xié)調(diào)器及其數(shù)據(jù)處理單片機(jī)STM32E103ZET6主要負(fù)責(zé)整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立、選擇初始通信信道、初始化網(wǎng)絡(luò)配置并接受各監(jiān)測子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由與STM32E103ZET6相連的GSM接口或因特網(wǎng)接口通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連，并將采集的窨井內(nèi)環(huán)境及井蓋等數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心的計算機(jī)或手機(jī)監(jiān)控終端，或者通過GSM或因特網(wǎng)接收來自監(jiān)控中心上位機(jī)的命令，并以廣播方式通過各路由節(jié)點向監(jiān)測終端發(fā)送，從而獲得各監(jiān)測終端返回的數(shù)據(jù)信息。

圖1　基于Zigbee無線傳感網(wǎng)格的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Eig.1 Sketch map of the inspection well safety monitoring system based on Zigbee wireless sensor network

當(dāng)協(xié)調(diào)器啟動之后便進(jìn)入組網(wǎng)流程，組網(wǎng)過程中協(xié)調(diào)器按照Zigbee協(xié)議的規(guī)定，各層之間進(jìn)行一系列的會話，完成新網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置直至網(wǎng)絡(luò)建立成功；然后路由節(jié)點開始加入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器各層協(xié)議分別通過一系列會話之后完成對自身的配置，此后網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的各個節(jié)點之間就可以通信了［5］。

1.3傳感器節(jié)點設(shè)計

對于每個窨井的監(jiān)測終端來說，主要完成對井內(nèi)水位高低、可燃性氣體濃度以及井蓋是否移動等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測等功能。根據(jù)監(jiān)測要求，需要配置相應(yīng)的傳感器對各個參數(shù)進(jìn)行檢測，然后將數(shù)據(jù)送入含有MCU的測控系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過射頻電路網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

傳感器節(jié)點的硬件框圖見圖2。在圖2中，Zigbee模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要由Chipcon公司近年推出的CC2430和CC2591芯片組成。CC2430是一顆（SOC）CMOS芯片，內(nèi)嵌高性能和低功耗的8051微控制器（MCU）核，并集成了8通道14bit的ADC以及符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RE無線收發(fā)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。CC2591是一款高性能的低成本前端，集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器和RE匹配網(wǎng)絡(luò)等，配上高增益天線，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍提高到幾百米以上，足以滿足各終端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的需要。

圖2　傳感器節(jié)點硬件框圖Eig.2 Hardware frame of the sensor node

由于窨井內(nèi)的可燃性氣體主要是沼氣或天然氣，它們的主要成分均為甲烷，因此可燃性氣體的濃度檢測采用MQ-4甲烷傳感器。MQ-4甲烷傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，在傳感器外圍使用簡單的放大調(diào)理電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，最后送入Zigbee模塊的ADC輸入端口。

對于窨井內(nèi)水位的監(jiān)測，考慮到系統(tǒng)成本因素，且水位深度不需要精確值，只需監(jiān)測其是否達(dá)到警戒水位即可，因此水位探頭采用簡易的防腐兩極金屬探頭，經(jīng)過簡單調(diào)理電路后便可輸出高低電平邏輯，以示金屬探頭的兩極是否被水短接。根據(jù)窨井內(nèi)設(shè)施的情況，可將探頭放置在警戒水位的高度即可。

當(dāng)井蓋出現(xiàn)丟失、移位或碾壓損壞等情況后，窨井內(nèi)的光照強(qiáng)度將會發(fā)生很大變化，因此采用光照度傳感器，通過對傳感器的輸出信號設(shè)定相應(yīng)的閾值，便可判斷井蓋是否出現(xiàn)上述各種實際問題。本系統(tǒng)采用的光照度傳感器為采用ROHM原裝BH1750EVI芯片的GY-30數(shù)字光照度傳感器模塊，供電電壓為3～5 V，傳感器模塊內(nèi)置16bit的ADC，可直接數(shù)字輸出至CC2430模塊。

需要特別指出的是，雖然Zigbee模塊無線節(jié)點CC2430本身可以在很短時間內(nèi)由睡眠模式切換至工作模式，而且在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時耗電量只有25 m A左右，非常省電，但由于外圍的甲烷傳感器及其調(diào)理電路耗電量較高，為保證系統(tǒng)長時間工作的可靠性，設(shè)計時采用電壓為12 V、容量為5 A·h的鉛酸蓄電池進(jìn)行供電，并在白天時用太陽能光伏電池給蓄電池進(jìn)行充電，以保證超長時間對終端節(jié)點進(jìn)行供電的可靠性。與此同時，系統(tǒng)對蓄電池的電量進(jìn)行監(jiān)測，通過自帶的ADC采集蓄電池端電壓，當(dāng)電壓低于設(shè)定閾值時產(chǎn)生電壓過低告警信號，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，提醒管理人員對該節(jié)點電源進(jìn)行維護(hù)。

傳感器節(jié)點的硬件電路如圖3所示。

圖3　傳感器節(jié)點硬件電路圖Eig.3 Schematic of the sensor node

1.4協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器是無線網(wǎng)絡(luò)與外界其他通信網(wǎng)絡(luò)連接的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括主MCU、存儲器單元、無線射頻收發(fā)電路、RS232-GSM通信接口以及因特網(wǎng)通信接口等。對于實際的窨井監(jiān)測系統(tǒng)，其數(shù)量龐大，實時性要求較高，協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)處理流量大，因此對MCU的處理性能要求高，如果采用CC2430自帶的8051MCU內(nèi)核不能滿足數(shù)據(jù)處理的要求，所以系統(tǒng)采用STM32E103ZET6單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理平臺。STM32E103ZET6是意法半導(dǎo)體公司出品的基于Cotex-M3內(nèi)核的32位ARM系列微控制器，工作頻率可達(dá)72MHz，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大［14-16］。此外，該芯片上還集成了最大64k B的SRAM存儲器及512k B的Elash存儲器，并具有豐富的電源管理功能及低功耗模式，完全能夠滿足協(xié)調(diào)器的功能要求。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

Zigbee模塊以基于德州儀器（TI）公司的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元Zigbee協(xié)議棧、Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件的編寫，提供了一個強(qiáng)大且完整的Zigbee解決方案［9］。只需要在應(yīng)用層（APP）添加與該項目有關(guān)的函數(shù)或代碼即可，省去了開發(fā)底層協(xié)議的繁瑣工作，可以大幅度縮短開發(fā)周期。

2.1傳感器節(jié)點的軟件流程

傳感器節(jié)點在系統(tǒng)中的作用是實時采集窨井內(nèi)水位、甲烷濃度、井蓋是否移位以及蓄電池電壓等數(shù)據(jù)，節(jié)點上電啟動并加入無線網(wǎng)絡(luò)后便能夠與路由器和協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及命令的雙向傳輸，一旦數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值立即產(chǎn)生中斷，并及時將相關(guān)告警信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心計算機(jī)，提醒監(jiān)控人員采取相應(yīng)措施；同時傳感器節(jié)點也能夠接收監(jiān)控中心計算機(jī)發(fā)送過來的各種查詢命令，并將實時數(shù)據(jù)及時返回。

傳感器節(jié)點的軟件流程見圖4。

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件流程

協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中的作用是建立并管理Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，自動允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求，收集傳感器節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)信息，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；同時接收上位機(jī)的控制命令，再將命令發(fā)送給各傳感器節(jié)點控制進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并處理節(jié)點請求的程序流程見圖5。

圖4　傳感器節(jié)點的軟件流程Eig.4 Software flow chart of the sensor node

圖5　協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件流程Eig.5 Software flow chart of the coordinator

2.3數(shù)據(jù)傳輸流程

市政管理部門在監(jiān)控中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)能夠隨時獲取所轄區(qū)域內(nèi)所有被監(jiān)控窨井的相關(guān)數(shù)據(jù)，對窨井內(nèi)的水位、可燃性氣體濃度以及井蓋是否移位或丟失等情況進(jìn)行查詢［6］。協(xié)調(diào)器收到來自監(jiān)控中心的查詢命令后選擇相應(yīng)的路由節(jié)點，路由節(jié)點再喚醒子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行上傳。命令傳輸過程中，如果未發(fā)現(xiàn)或者與目的終端節(jié)點通訊失敗，則向監(jiān)控中心返回錯誤報告。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程見圖6。

圖6　系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程Eig.6 Elow chart of data transmission

3　系統(tǒng)測試

3.1數(shù)據(jù)傳輸測試

為了驗證基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕狙芯吭谛@內(nèi)建筑較密集的道路旁對該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬測試:系統(tǒng)采用1個GSM手機(jī)監(jiān)測終端、1個上位機(jī)終端和10個Zigbee節(jié)點進(jìn)行組網(wǎng)，包括1個協(xié)調(diào)器、2個路由節(jié)點和7個帶有傳感器的監(jiān)測終端節(jié)點。每個傳感器節(jié)點相距20～40 m不等，每個路由節(jié)點距終端節(jié)點最近約18 m，最遠(yuǎn)約65 m，放在終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

測試時，每個傳感器節(jié)點向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包總量為1 000個，在不同的間隔距離上分別從監(jiān)測終端節(jié)點發(fā)送模擬的窨井環(huán)境數(shù)據(jù)包到上位機(jī)，測試系統(tǒng)丟包率的大小。測試時，設(shè)定傳感器節(jié)點每間隔100 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，然后等待上位機(jī)過來的反饋信號；若收到反饋信號，則馬上發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；若100 ms后還沒收到反饋信號，則認(rèn)為丟包，并接著發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)丟包率的測試結(jié)果見表1。

表1　系統(tǒng)丟包率的測試結(jié)果Table 1 PLR test of the system

由表1可見，傳感器節(jié)點向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)非常可靠，其丟包率在可以接受的范圍之內(nèi)。

3.2傳感器節(jié)點的測試

本研究對系統(tǒng)還進(jìn)行了傳感器節(jié)點的測試。測試過程中，對水位進(jìn)行模擬時，若將水位傳感器放在盛水的杯中，則表示窨井水位超過警戒值，傳感器節(jié)點將輸出高電平“1”，否則輸出低電平“0”；對井蓋是否丟失進(jìn)行模擬時，采用不透光的布將光照度傳感器包裹在內(nèi)來模擬井蓋處于正常位置，傳感器節(jié)點輸出低電平“0”，若探頭敞開在空氣中，則表示井蓋移位，則傳感器節(jié)點輸出高電平“1”；對甲烷傳感器進(jìn)行測試時，用主要成分為甲烷的天然氣作為測試氣體，首先采用便攜式可燃性氣體濃度測量儀對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后在室溫情況下，用氣體濃度測量儀分別對每個節(jié)點的甲烷傳感器的準(zhǔn)確度進(jìn)行測試；蓄電池電壓則采用數(shù)字萬用表進(jìn)行實測。傳感器節(jié)點測試結(jié)果見表2。其中，甲烷濃度的參考值表示用氣體濃度測量儀對天然氣的測試結(jié)果；蓄電池電壓的參考值表示用數(shù)字萬用表對蓄電池電壓的測試結(jié)果；實測值表示本文系統(tǒng)分別對天然氣和蓄電池電壓的測試結(jié)果；平均相對誤差表示實測值與參考值之間相對誤差的平均值。

由表2可見，水位信號和井蓋移位信號傳輸準(zhǔn)確可靠，完全能夠滿足實際測量要求；甲烷濃度及蓄電池電壓的測量由于受系統(tǒng)所采用的傳感器精度的限制，且氣體濃度的測量受所處環(huán)境影響較大，分別有5.6%及-0.5%的平均相對誤差，但均在可以接受的范圍內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)資料可知，空氣中的甲烷濃度的爆炸極限為5%～16%。據(jù)此，系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)檢測到天然氣或沼氣濃度達(dá)到3.5%的閾值時，就立即發(fā)出告警信息，提醒市政管理部門立即采取措施，從而避免爆炸事故的發(fā)生。

表2　傳感器節(jié)點測試結(jié)果Table 2 Test results of sensor nodes

4　結(jié)論與建議

本文基于CC2430無線傳感節(jié)點、MQ-4甲烷傳感器、GY-30光照度傳感器以及水位傳感器等硬件電路構(gòu)建了一種以太陽能和蓄電池供電的城市窨井安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測城市窨井內(nèi)各種安全隱患信息，一旦有險情發(fā)生，將及時提醒市政部門采取相應(yīng)措施，避免遭受生命財產(chǎn)損失。需要指出的是，若將本系統(tǒng)應(yīng)用于實際的城市窨井安全監(jiān)測中，可能會由于Zigbee終端節(jié)點數(shù)量過多和周圍建筑物遮擋等情況，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴幸欢ǖ南陆?，這就需要進(jìn)一步改善路由算法，或在傳感器節(jié)點密度大的地方增加路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)量，以改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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The Inspection Well Security Monitoring System Based on Zigbee Wireless Sensor Networks

YANG Yongchao，ZENG Gang，HUANG Yong，HUANG Lin
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

As more and more accidents involved with inspection wells in the city cause great losses in human life and property，which include explosion caused by high-density combustible gas，damage of inside cables from high-level water，and loss or dislocation of the inspection well covers，this paper designs a security monitoring system for inspect wells based on Zigbee wireless sensor network.This monitoring system could monitor in real-time various potential safety risk information，such as the density of combustible gases，level of water inside the well，or cover location of the well，etc.Once the surveyed data above exceed the given thresholds，warning messages would be transferred to the monitoring center immediately through GSM mobile phone network or internet，altering the municipal management to take measures to avoid life or property loss.Test results show that the system achieves expected effect and possess wonderful practicability.

Inspection well；Security monitoring；Wireless sensor networks；Zigbee

X924.3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.017

1671-1556（2015）05-0096-06

2015-01-21

2015-09-06

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201310517004）；湖北省自然科學(xué)基金項目（2013CEB044）

楊永超（1981—），男，碩士，講師，主要從事電子測量技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面的研究。E-mail:yycy20@163.com