基于ZigBee技术的防盗井盖控制系统的设计与实现

【摘要】目前，在城市中井盖的丢失带来很多安全问题。为了解决这一问题，本文采用基于ZigBee技术的XBee-Pro模块，提出了一种新型的防盗井盖系统的设计方案。该系统能够实时监测井盖的状态，避免井盖丢失造成的人员和车辆的损害。该系统的研发提升了城市窨井管理的智能化水平，可广泛应用于城市各种类型窨井的监控系统中。

【关键词】ZigBee;manhole coer;XBee-Pro

1.引言

随着社会的发展，城市的规模越来越大，大量各种类型的城市窨井井盖出现在城市的道路上。如果井盖丢失，不仅给人员、车辆造成重大安全隐患，而且还可能导致井下的线缆和设备的丢失和损害，极易导致通讯、供水、电力和供气等设施的损坏，给企业的生产和居民的生活带来巨大损失[1]。因此，融合信息技术和无线通讯技术，进行新型防盗井盖的研制至关重要。本文提出了一种新型的防盗井盖系统，采用美国Digi公司的基于ZigBee协议的通讯模块Xbee-Pro为核心，控制器采用Freescale公司的MC9S08QG8系列单片机，可以监控井盖的实时状态。

2.防盗井盖系统概述

防盗井盖主要由遥控器、送电设备、受电器、控制系统、井盖电动锁构成。原理如图2所示。防盗井盖通过接收遥控器或者监控中心的指令，打开和关闭井盖;同时当井盖未经许可打开时，控制系统发送报警指令到监控中心，提示监控中心井盖被非法打开[7]。

图1 防盗井盖结构图

Fig.1 Anti-theft Manhole cover structure diagram

3.防盗井盖控制系统硬件设计

防盗井盖控制系统主要包括MC9S08QG8、XBee-Pro、电动锁具、供电电源、温度传感器和位置开关。整个硬件系统的结构如图2所示。

图2 控制系统框图

Fig.2 Control System diagram

（1）电源

整个防盗井盖的系统有铅酸蓄电池供电。由于没有外部电源补充，所以整个系统平时工作在低功耗状态。当井盖状态发生变化时，可以唤醒整个控制系统。正常情况下控制系统定时唤醒检测井盖的状态，并通过通讯模块上传到监控中心。井盖在需要打开时通过外部电源供电驱动电动锁具。

（2）XBee-Pro

本系统采用的通讯模块式Digi公司的XBee-Pro模块。它是一种基于IEEE802.15.4协议标准的通讯模块，可以通过配置实现各种网络拓扑结构，包括对等网、点对点和点对多点网络[2]。在控制系统中，XBee-Pro模块负责接来自收遥控钥匙和监控中心的指令，打开或者关闭防盗井盖。

（3）MC9S08QG8

MC9S08QG8是Freescale公司的基于HCS08内核的8位单片机，具有高性能、低功耗的特点[3]。该单片机具有各种常用外设，主要包括定时器、A/D转换器、串行通讯接口、SPI总线接口、IIC总线接口。它的I/O接口功能丰富，可以通过配置寄存器配置成各种功能。该单片机的调试也非常方便，通过单总线的BDM接口就可以实现仿真和调试功能。在控制系统中单片机通过XBee-Pro模块接收指令，控制电动锁具的打开和关闭，同时将井盖内的温度信号传送到监控中心。

（4）电动锁

电动锁由直流电机和机械锁具组成。通过直流电机驱动机械锁具来实现打开和关闭井盖的功能。

（5）位置开关

打开和关闭井盖时，检测电动锁具是否到位。采用干簧管作为位置检测信号，信号经过处理后由单片机负责检测。

（6）温度传感器。

温度传感器采用热敏电阻。热敏电阻产生的模拟信号经过处理后有单片机ADC模块采集后通过XBee-Pro模块发送到监控中心。

4.系统软件设计

（1）Xbee-Pro模块设置

XBee-Pro具有非常丰富的功能，所有功能的实现通过Digi公司提供的上位机配置软件X-CTU进行配置。XBee-Pro模块可以工作在AT命令模式和API模式，用户可以根据自己的需要通过下载厂家提供的各种固件进行设定[4] [5]。本文的井盖控制系统中，通过X-CTU配置软件XBee-Pro模块配置成网状拓扑结构，作为终端节点进行使用。

（2）MC9S08QG8程序设计

本文涉及的控制系统中，单片机MC9S08QG8采用C语言进行程序的设计和编写。C语言具有通用性好、方便移植等特点，广泛用于单片机的程序设计中。上位机编程软件采用Metrowerks公司专门为嵌入式处理器开发的CodeWarrior 6.0，它具有通用编程软件具有的所有功能，包括IDE、调试器、链接器和编译器等，还支持汇编语言的编程[6]。MC9S08QG8的程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

Fig.3 program flow diagram

5.结论

目前整个系统的研发工作已基本完成，正在进行功能样机的现场测试，测试结果表明该控制系统能够实现防盗井盖的要求，实现对城市窨井井盖状态和窨井内温度等环境参数的监测，后续将在系统信息传输的可靠性上作进一步的完善和改进。

参考文献

[1]李向红.城市路面井盖管理问题探讨[J].市政技术，2009， 27（6）：560-563.

[2]湛江书，谢晓佳，冯发维.基于Xbee-Pro的矿井安全检测与监测系统的设计[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2011，28（2）：207-211.

[3]任勇，傅雪骄，张超.基于MC9S08QG8低端微控制器的无线控制器设计[J].无线通讯，2009，296（9）：52-55.

[4]杨增汪，陈斯，顾明亮.基于XBee的无线振动信号检测传感器节点设计[J].煤炭技术，2010，12：51-52.

[5]郭航宇，周凤星.基于XBee-Pro模块组建的ZigBee网络的实际应用[J].信息技术，2011，10：193-195.

[6]张立社.集成开发环境CodeWarrior的使用方法[J].软件设计开发，2012，8：143-145.

[7]徐文青，解兆延，门兴，王继祥.基于ZigBee与非接触供电的井盖防盗技术及应用[J].中国安全生产科学技术，2012，11：173-177.

基金项目：山东省信息产业专项发展资金项目（项目编号：2011R1802）。

作者简介：解兆延（1981―），男，主要从事单片机与嵌入式系统、电力电子与电力传动技术研究。