基于ZigBee和GPRS的地铁环境监控系统设计

叶 杨 婷

(江汉大学 物理与信息工程学院， 湖北 武汉 430056)



基于ZigBee和GPRS的地铁环境监控系统设计

叶 杨 婷

(江汉大学 物理与信息工程学院， 湖北 武汉 430056)

针对目前地铁环境监测系统采用有线组网方式成本高、灵活性差等问题，提出了一种以ZigBee无线传感器网络技术为核心的地铁环境监控系统。该系统在地铁隧道内布设了无线传感器终端监测节点，对温度、湿度、烟雾等参数进行采集，通过ZigBee和GPRS网络传送给远程监控中心，最后通过远程监控中心实时监测现场环境，保证地铁的安全运营。重点阐述了ZigBee的组网方式、各节点的硬件和软件设计，尤其对ZigBee协议栈中应用层的事件处理函数的工作流程进行了详细描述。该系统具有结构简单、布局灵活、成本低等优点。实验结果验证了该系统性能稳定，数据传输可靠，具有很好的应用前景。

地铁环境； ZigBee； 网络拓扑； 事件处理函数

0 引 言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁给居民出行带来了很大的便捷，但在地铁运营过程中，也可能发生人为或自然灾害，比如火灾、毒气、地震等，这些地铁安全事故会造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡[1-3]。传统的地铁监控方案中，监测点采用有线接入，建设和维护成本较高，系统可扩展性较差[4-5]，因此，设计一种低成本、灵活性强、节能环保的地铁环境监测系统，对保证地铁安全运营和提高管理效率具有十分重要的意义[6-7]。本文利用ZigBee网络技术的能耗低、布局灵活、抗干扰能力强等优点[8-10]，设计了一种基于ZigBee和GPRS的地铁环境的实时监控系统，实验结果验证了该系统的可行性。

1 系统整体结构

本系统的结构如图1所示。该系统由分布于地铁隧道内的终端监测节点、路由器、协调器、GPRS模块和远程监控中心组成。终端监测节点连接不同的传感器完成对温度、湿度、烟雾等参数的采集，通过路由器的转发传送给协调器，协调器与GPRS模块组成网关，实现网络协议的转换，最后经GPRS网络将数据传送给远程的监控中心,监控中心可以实时监测现场环境情况，也可以发送命令控制整个网络。

2 网络拓扑结构选择

选择合适的组网方式对于ZigBee网络来说十分重要，考虑到地铁成线性分布，隧道长度跨度大，因此采用覆盖范围广、自适应能力强的网状拓扑结构可以满足实际需求。但另一方面，网状拓扑结构的复杂度也很高，如果整个地铁网络只采用一个协调器，通常会导致靠近协调器的路由器由于转发任务过重而能量耗尽，导致网络瘫痪。为此，可以采取以地铁车站为单位，将整个地铁隧道划分成以车站为中心的多个网络区域[11-12]，一个区域设置一个汇聚节点作为协调器，终端监测节点和路由器放置在两车站之间的隧道内，网络结构如图2所示。这样就可以将一个复杂的地铁网络分解成简单的小网络，各网络并行运行，互不干扰，从而大大提高整个网络的稳定性。

图2 地铁ZigBee网络结构图

3 系统硬件设计

3.1 终端监测节点和路由器设计

终端监测节点、路由器和协调器选用TI公司CC2530芯片为核心控制器。终端监测节点连接各传感器，完成环境因子的采集、数据的处理和发送，该节点如图3所示，包括电源模块、微控制器、时钟模块、射频模块和存储器，连接温度传感器、湿度传感器和烟雾传感器。路由器节点跟监测节点的内部结构基本一致,只不过被选举出来负责扩展网络的覆盖范围，起到数据转发的作用。

3.2 协调器及网关设计

协调器通常是一个能持续提供能量的增强型无线传感器节点，且处理信息能力较强[13]，负责整个网络的建立与管理，对整个区域的数据进行汇总和分析处理，并提供网关功能，把信息与GPRS网络连接。这里采用ZigBee/GPRS网关，硬件组成如图4所示，包括CC2530、GPRS模块、微处理器、外围射频发射电路、外部存储器。为了增强网关的数据处理能力和通信能力，本方案不直接把协调器作为网关设备，而是添加了MSP430单片机完成ZigBee协议与GPRS网络协议之间的通信协议转换。GPRS模块采用西门子公司的MC35i，微处理器选用了一种低功耗的16位单片机MSP430F149，MSP430F149自带两个串口[14]，因此可以分别与CC2530协调器和GPRS模块进行通信，实现了ZigBee无线传感器网络与GPRS网络的连接。

4 系统软件设计

ZigBee协议栈采用分层的思想，分为物理层、MAC层、网络层和应用层，应用层包含应用程序子层、应用程序框架层和ZDO设备对象[15]。协议栈中的每一层都设计了相应的事件处理函数，来完成与这一层相关的事件和任务，这些都是要由ZigBee协议栈的操作系统抽象层OSAL来进行管理[16]。TI公司提供的Z-Stack协议栈已经编写了从MAC层到ZDO层的事件处理函数，一般不需要修改，这里只需按照用户的需求编写应用层的事件处理函数，下面将详细介绍终端监测节点和协调器节点的应用层事件处理函数。

4.1 终端监测节点软件设计

终端监测节点的应用层事件处理函数定义为Environment_ProcessEvent()，工作流程主要分为等待终端节点加入网络、采集数据、发送数据3个步骤。在ZigBee网络中，各个设备都必须在加入网络后才能完成数据的通讯，因此终端节点在成功加入网络后会从ZDO层向应用层发送系统消息事件SYS_EVENT_MSG，通过对应的任务ID号来调用应用层的事件处理函数Environment_ProcessEvent()，并根据网络状态改变事件ZDO_STATE_CHANGE，通知应用层终端设备已加入网络，这样就可以设置时间管理函数Osal_start_timerEx()周期性的触发采集事件标志位，执行数据采集任务并向外界发送数据。在这里，把一个传感器的数据采集看作一个事件，多个传感器不可能同时进行数据采集，因此可以按顺序依次触发温度采集事件Temperature_event、湿度采集事件Humidity_event和烟雾采集事件Smoke_event，最后触发数据发送事件Send_event，将数据发送出去，具体的工作流程如图5所示。

4.2 协调器软件设计

协调器的应用层事件处理函数定义为Coordinator_ProcessEvent()，协调器主要完成两个任务：① 接收ZigBee网络传送过来的数据包，通过协议解析后发送给GPRS模块；② 随时监听监控中心通过GPRS网络发送过来的命令。同终端监测节点的工作流程类似，协调器在成功建立网络后，接收系统消息事件SYS_EVENT_MSG来调用应用层事件处理函数Coordinator_ProcessEvent()，再通过消息处理函数Osal_msg_receive()来判断具体是发生了哪个事件，如果是AF_INCOMING_MSG_CMD事件，说明协调器接收到了从ZigBee网络传送过来的数据，那么协调器就对数据进行解包处理发送给GPRS模块；如果是GPRS_COMMAND事件，说明协调器收到了从GPRS网络发送过来的命令，再对命令进行相关处理。具体的工作流程如图6所示。

图5 终端监测节点事件处理函数流程图

5 系统测试

为模拟地铁环境监控系统的实现，在100 m长的空旷场地上放置8个终端监测节点，2个路由器，1个协调器，协调器放置在测试区域的中间，终端节点每隔10 s发送一次数据到监控中心，监控中心每收到200个数据包后对其进行一次丢包统计，经过10次这样的实验后，情况如表1所示，经计算，平均丢包率为0.4%，符合1%的丢包许可范围。

表1 数据包丢包统计表

6 结 语

基于ZigBee和GPRS的地铁环境监控系统，分别从系统整体结构、软硬件设计等方面进行了详细描述。根据地铁隧道的实际情况，设计了一种以地铁车站为单位的多个覆盖区域的网状拓扑结构，从而减轻协调器的负担，提高系统的稳定性。同时，由于本系统只列举了对地铁隧道内温度、湿度、烟雾进行实时监控，稍加扩展，便可以对地铁内更多的环境因子进行监控，来提高地铁运营的安全性。

[1] 王 静. 地铁安全技术标准体系的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2009.

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[15] 王小强，欧阳骏，黄宁淋. 无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社，2012：69-70.

[16] 蒋 挺，赵成林. 紫蜂技术及其应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2006.

·名人名言·

“天才就是勤奋”曾经有人这样说过。如果这话不安全正确，那至少在很大程度上是正确的。没有非常的精力和工作能力便不可能成为天才。既没有精力也没有工作能力的所谓天才，不过是一个漂亮的肥皂泡或者是一张只能到月球上去兑现的支票而已。但是，哪里有超于常人的精力和工作能力，那里就有天才。

——李卜克内西：《回忆马克思恩格斯》

Design of Subway Environment Monitoring System Based on ZigBee and GPRS

YEYang-ting

(Physics and Information Engineering Institute， Jianghan University， Wuhan 430056， China)

At present, the subway environmental monitoring system uses wired network, it is high cost and poor flexibility. Aiming at this situation, the ZigBee wireless sensor network technology as the core of the subway environment control system is presented. In this system, the wireless sensor terminal monitoring nodes in the subway tunnel are used to collect parameters such as temperature，humidity and smoke，which are transmitted to the remote monitoring through ZigBee and GPRS network. Finally, the remote monitoring center can monitor the field environment in real time, and ensure the subway safe operation. This paper emphasizes ZigBee networking method, the design of hardware and software. Especially, the workflow of event handler function in the application layer of ZigBee protocol stack is described in detail. The system has the advantages of simple structure, flexible layout, low cost, etc. The results of experiments show that the system is reliable in data transmission with stable performance，so it has good application prospects.

subway environment； ZigBee； network topology； event handler function

2015-03-16

叶杨婷(1983-)，女，湖北武汉人，硕士，实验师，主要从事无线传感器网络的相关研究工作。

Tel.：13871263803；E-mail：yeyangting@126.com

U 231.92

A

1006-7167(2015)12-0065-04