基于ZigBee和GPRS的城市 道路积水监控预警系统设计

杨小宁 谭鹏 王运帷 申晓林 赵静

摘要：提出了以ZigBee无线通信技术、GPRS为依托，建立的一种直观可视平台，该平台采用星型网络结构，使城市道路组成一张覆盖面广、网络容量大的可监视传感器网络，实时将路面积水情况通过GPRS无线网络与基于LabVIEW的上位机程序进行TCP/IP协议通信，从而实现远程监控。Labview将收到的数据存入Mysql数据库中以便查阅，测试结果证明了该系统的稳定性与可靠性。

关键词：ZigBee；星型网络结构；GPRS；Labview 近年来，由降水引起的城市内涝，已多次引起北京、天津等地城市交通瘫痪，造成了巨大的经济损失，甚至人员伤亡。城市内涝引起了人们的高度重视，各地纷纷出台相应的应对措施，尽量将损失降低到最小。面对强降雨或降雨比较集中的情况，现有的排水设施已不能满足需求，而城市现有排水系统的改造又是一个循序渐进的过程，这就使得设计一种直观可视的路面积水情况分布图成为最有效的办法。

1ZigBee无线传感网络

ZigBee技术是一种针对于距离短、复杂度低的无线双向通讯技术，具有低成本、低功耗、低速率的特点，并且数据传输有周期性、间歇性和低反应时间的特点。ZigBee可以组建可靠性强的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，在网络中ZigBee模块类似于移动通信的网络基站，通讯距离从75 米到几百米。Zigbee网络的数据传输采取避免碰撞的策略，MAC层采用完全确认的传送方式，如果传送过程中有问题，支持数据的重发。

2GPRS网络

GPRS是通用分组无线业务的简称。它是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信技术3G的过渡技术，经常被描述成2.5G，GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体，采用分组方式进行数据传输。GPRS它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS能够在端到端分组传送模式下发送和接收数据。无线资源采用动态分配方式，一个终端可分配多个时隙，一个时隙也可由多移动台共享，终端虽然与网络一直连接，但仅当数据传送时才占用信道资源，而且GPRS能提供比现有GSM网9.6kb/s更高的数据传输速率，最高可达171.2kb/s。

GPRS特别适合需要超远远距离通信的场合，它的传输距离是几乎没有限制的，有手机信号的地方就可以通信！而且可以直接把数据上传到互联网上，同时也可以通过短信、电话的形式传输到我们的手机上。

3GPRS网络结构

GPRS在一个发送实体和一个或多个接收实体之间提供数据传送能力。这些实体可以是移动用户或终端设备，后者被连接到一个GPRS网络或一个外部的数据网络。

GGSN在GPRS网络和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN和LAN等。SGSN记录移动台的当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。系统共用GSM基站，但基站要进行软件更新，并采用新的GPRS移动台。GPRS要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现GPRS骨干网互联。

4系统的方案设计

如图1所示，由水深传感器将采集的水深数据通过ZigBee的星型網络传给中心协调器，协调器节点通过RS-232串口与GPRS模块MC52I相连，实时将数据发给远程的监控中心。网络中的数据采用了免冲突载波检测多址接入机制 、处理和保护时隙机制，保证在对等的MAC实体之间提供可靠的通信链路。系统的总体结构如图2所示。

4.1 系统硬件设计

主要实验环境要求：单片机CC5230，FLASH，矩阵键盘，STC12C5A60S2，监控电脑终端，IAR开发环境，GPRS通信芯片MC52I。

MC52i无线模块是当今市场上尺寸最小的双频GSM/GPRS模块。模块内嵌TCP/IP协议栈；具有MC35i、MC39i、TC35i的所有功能和快速GPRS技术。广泛应用于远程监测、无线公话、车载终端、无线POS终端等领域。具有体积小、重量轻、低功耗等特点，工作频率：900/1800MHZ

支持数据、语音、短信息和传真。

MC52I与协调器的硬件连接如图所示：

4.2 系统软件设计

4.2.1 下位机软件设计

下位机软件主要实现ZigBee网络中协调器的数据采集及发送，协调器节点将数据传给带有双串口的51单片机，单片机一边通过串口1收数据，一边通过串口2发送AT命令控制GPRS模块以实现数据的无线透传。

4.2.2 上位机软件设计

上位机监控软件采用LABVIEW开发，LabVIEW软件平台具有强大的网络通信功能，可以方便地使用网络通信协议编程实现网络通信，LabVIEW中支持的通信协议类型包括TCP/IP、UDP、串口通信协议、无线网络协议和邮件传输协议。TCP/IP协议体系是目前最成功,使用最频繁的Internet协议,有着良好的实用性和开放性。它定义了网络层的网际互连协议IP,传输层的传输控制协议TCP、用户数据协议UDP等。

在设计上采用C/S（客户端/服务器）通信模式，VI程序分为两部分：处理主机工作在Server模式，完成数据接收，并提供数据的相关处理；GPRS模块工作于Client模式，实现数据传送。TCP传输数据过程如下：在服务器端，用“TCP侦听”节点创建侦听，由发送端发送连接请求，接收端侦听到请求后回复并建立连接，然后开始传输，数据由读取TCP数据函数读取TCP数据，传输完成后关闭连接。

4.2.3 LABVIEW访问数据库

该程序中需要用到LabSQL工具包，LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包，LabSQL支持Windows操作系统中任何基于ODBC的数据库，将复杂的底层ADO及SQL操作封装成一系列的LabSQL VIs。利用LabSQL几乎可以访问任何类型地数据库，执行各种查询，对记录进行各种操作。它的优点是易于理解，操作简单，不熟悉 SQL 语言的用户也可以很容易地使用。只需进行简单地编程，就可在 LabVIEW中实现数据库访问。

⑴安装MySQL Connector ODB C。

⑵你需要用ODBC(Open Database Connectivity)来创建数据源（DSN），在控制面板中来点击ODBC来开启ODBC程序，或者直接在运行里输入odbcad32.exe。

⑶在系统DSN中选中驱动程序MySQL ODBC3.51 Driver。

⑷双击后填入相关数据库信息，建立好数据源。

这样就可以能过SQL命令访问MySQL数据库了。

5结束语

本系统能实现远程的实时监控和预警，便于相关部门和专家提前做出救护决策。与传统的人工现场检测相比，Zigbee稳定准确的无线传输，以及GPRS无线通信的高速传输，灵活可靠的传输优点使得相关部门能远程获得准确的水深数据，节省了大量的人力，财力。目前，对该系统进行了几个节点的测试，均获得准确可靠快速的测量结果。

[参考文献]

[1]Siemens.MC52i Hardware Interface Description.2008.

[2]Siemens.MC52i AT Command Set.2008

[3]陈树学,刘萱.LabVIEW宝典.电子工业出版社,2011.

[4]孙涵芳.mcs51/96系列单片机原理及应用,北京航空航天大学出版社,2004.