一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法
【专利摘要】一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法。属电缆防盗报警【技术领域】，本发明方案如下，在路灯电缆中设置末端电压测量装置，负责实施测量电缆电压，同时装置连接到装载有ZigBee模块的控制器上，控制器即时获取电缆电压，并通过ZigBee模块发送到上位机上，上位机中装载有GSM模块，定时发送电缆电压信息到市政管理部门，当出现异常时，即时发送报警信息，并通过ZigBee子网节点标签，及时定位电缆故障地点，便于市政部门及时排除问题，若发生电缆盗窃事件，则可以迅速定位被盗时间地点，便于公安机关调查。本发明成本低；从检测原理、上报方式等多个环节进行优化处理，极大提高电缆被盗告警可靠性和准确度。
【专利说明】—种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法，用于解决路灯电缆实时监控及主动报警防盗问题。
【背景技术】
[0002]目前路灯电缆防盗方法有以下几种:
[0003]末端电压测量法，该方法采用在电缆末端加装电压检测与通讯装置，由固定电源供电通过无线通信与主站进行通讯连接。白天由前端配电箱给电缆供给48V直流电压，夜晚则正常供给220V交流电压，一旦末端断电则认为电缆被盗，立刻向主站报警。这是目前最为可靠的电缆防盗检测方式之一，误报率低，定位准确，响应快速，但是经过实践也发现一定的问题:前期投入成本和安装难度较大，路灯电缆末端均需要配置无线通信设备，天线的安装配置问题，避雷措施问题等。
[0004]ZigBee技术，ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。
[0005]ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。
[0006]与此同时，ZigBee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域、智能控制领域具有非常强的可应用性。
[0007]GSM 技术与 GSM 模块，GSM 是 Global System For Mobile Communications 的缩写，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)的简称。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。
[0008]GSM是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了 〃漫游协定〃移动电话运营商之间自由漫游。GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。
[0009]GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。单片机可以直接与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功倉泛。
[0010]当前电缆防盗主要采用电力线载波方式实现与单灯节点或路灯段的通信，例如由山东省科学院海洋仪器仪表研究所的发明专利CN101937600B，2013.06.26，路灯电缆防盗报警系统，使用GPRS通讯模块、声光报警装置以及并联于每一盏路灯上的功率阻抗器，并在电缆起始端与末端的在电缆火线和零线上安装起始端电缆报警器与末端电缆报警器，报警器与GPRS通讯模块相连达到报警目的。上述方式的核心是如果电缆被盗，则通信失败，从而认为电缆被盗，并进行电缆被盗上报告警。然而电力载波法存在许多问题:(I)白天无法防盗:当前路灯系统白天无法供电，这样电力线载波通信得以存在的基础条件一电力载波不存在，导致电缆防盗无法正常工作，这恰恰是实际应用中电缆被盗关键时间段；
[0011](2)电力线载波防盗基于在电力线信号基础上调制信号，在实际电路中，随着工作电压、电力负荷个性差异，电力线载波可靠性受到严重考验，防盗可靠性不高，实际使用中误报、漏报率约I %。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法，以实现对电缆的防盗和主动报警。
[0013]本发明的技术方案如下:
[0014]一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗系统，包括上位机控制核心、ZigBee子网节点、GSM发射模块和末端电压测量装置，其特征在于ZigBee子网节点和上位机控制核心由无线通信相连，末端电压测量装置与ZigBee子网节点集成连接并直接安装在路灯之间的电缆上，ZigBee子网节点包括中央处理单元和与其相连的ZigBee通信网关模块；末端电压测量装置包括数据采集模块和A/D转换器，数据采集模块包括直流测量电路和交流测量电路，其中直流测量电路由I个串联的分压电阻组成，并直接与电缆的任意两相和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；交流测量电路包括耦合变压器和整流滤波器，变压器的输入端直接连接到电缆中任意两相上，变压器的输出端和整流滤波器相连接，整流滤波器的输出端和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；数据采集模块与A/D转换器及ZigBee子网节点顺序连接集成被安装在路灯电缆上，并由路灯电缆上安装的直流电源为其供电；上位机控制核心包括中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块和电源，其中ZigBee通信网关模块直接集成在中央处理单元上，中央处理单元经其I/O接口分别与数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块相连；电源分别连接到中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块和人机交互模块为其供电；人机交互模块包括矩阵键盘和12864IXD液晶显示器；数据存储单元包括SD卡、Flash和 EEPROM ；
[0015]所述的中央处理单元是TI公司的CC2430芯片。
[0016]所述的GSM发射模块使用SM900A集成模块。
[0017]一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法，步骤如下:
[0018]1、开始,各模块初始化，ZigBee子网节点及上位机控制核心上电,各ZigBee子网节点根据Z-Stack协议栈配置起ZigBee子网，上位机控制核心对各ZigBee子网轮询,查看其是否全部进入正常工作状态，白天由路灯电缆上安装的直流电源为其供电；
[0019]2、末端电压测量装置通过其数据采集模块开始获取被监测的各相的电压参数，并将监测到的各相的电压参数经A/D转换器传送到ZigBee子网节点；
[0020]3、预先设置路灯电缆电压的上、下限阈值，其中上限阈值为250V，下限阈值为180V ；ZigBee子网节点判断所接受到的电压变化是否达到阈值，当低于180V或高于250V阈值时，将触发报警，此时判断电路电缆发生故障；
[0021]4、为防止误报发生，系统会在10秒的待机时间后判断所接受到的电压变化是否达到阈值，如果在设定的10秒内接受到的电压变化在180V-250V阈值范围之外，则向其他ZigBee子网节点发出问询，否则等待下次电压上传数据；
[0022]5、若其他ZigBee子网节点电压变化也超过了阈值，则上报上位机控制核心；
[0023]6、上位机控制核心记录出现故障的ZigBee子网节点标签和时间，根据ZigBee子网节点标签解析ZigBee子网节点位置，并通过GSM发射模块向市政管理部门发送报警信息，即发送在何时何地发生电缆故障的报警信息。
[0024]本方案电缆防盗检测采用的是末端电压测量法，如果电缆被盗，则电缆之间的电压会发生变化，当电压变化超过预警值(以防因为电压不稳而产生误报)时，则认为电缆被盗，并通过ZigBee子网节点上报电缆被盗告警。
[0025]为了保证路灯电缆能够24小时被监控，路灯电路必须保证全天都有电压，这里我们白天由前端配电箱提供48V直流电压，晚上则正常检测路灯电缆上的220V交流电压。
[0026]本发明包括上位机控制核心、ZigBee子网节点、GSM发射模块和末端电压测量装置；所述ZigBee子网节点和上位机控制核心无线通信相连，末端电压测量装置与ZigBee子网节点集成，末端电压测量装置直接安装在路灯之间的电缆上。
[0027]所述上位机控制核心集成有GSM发射模块，同时包括中央处理单元，数据存储单元，ZigBee通信网关模块，人机交互模块和电源；其中中央处理单元分别与数据存储单元，ZigBee通信网关模块，人机交互模块和电源相连。
[0028]所述ZigBee子网节点使用TI公司的CC2430芯片，其中包括中央处理单元，ZigBee通信网关，并与末端电压测量装置相连。
[0029]本发明的工作原理是:1、末端电压测量装置安装在路灯供电电缆的末端，在3相4线供电电路中，分别在A相、B相、C相供电线路的其中两相中安装单灯电缆防盗末端电压测量装置，如在A相和B相中分别安装末端电压测量装置。
[0030]2、在路灯供电电缆前段安装直流供电电源，电源正负两极分别安装在装有末端电压测量装置两相电缆中。在路灯非工作时间，提供48V直流电压。
[0031 ] 3、在系统正常运行情况下，供电电缆白天由直流供电电源供电，末端电压测量装置实时监测供电电压，通过检测到的电缆供电电压判断电缆是否被盗。
[0032]4、当电压波动超过阈值后，即判定检测到电缆被盗，末端电压测量装置的测量值会及时上传到改装置所处的ZigBee子网节点，ZigBee子网节点经过运算判断后将电缆被盗信息及时通过ZigBee子网上传到上位机控制核心，实现电缆被盗及时告警。
[0033]5、在市政路灯系统运行过程中，随着瞬间供电电压、环境等影响，系统会出现某一支路因过载而跳闸现象，单纯采用检测某项支路电压作为判断电缆是否被盗时，则会出现开关跳闸误判为电缆被盗。根据市政部门实际统计，开关跳闸占站点故障I%，以10万盏路灯系统的规模，每月故障次数在500左右，则每月系统开关跳闸次数为:500*1%= 5次，即直接根据供电电压判断电缆被盗每月出现误判次数为5次，这在实际使用中无法满足使用要求。根据三相四线路灯系统特性，在运行过程中不同相供电支路同时出现开关跳闸的可能为A相与B相，B相与C相，A相与C相，相应组合情况为:C(3，2) = 3，两相供电同时跳闸的概率r = 1%*1% *3同样上述规模系统，一个月同一条线路同一时间不同相同时出现开关跳闸次数为:两相供电同时跳闸次数=500*1% *1% *3 = 0.15次，根据概率论可知，上述假设属于小概率事件，现实中可认为不会发生，即根据不同相供电电压同时出现故障判断电缆被盗不会出现误判，从而极大提高电缆被盗可靠性。
[0034]6、ZigBee子网节点的CC2430集成芯片集成8051控制核心，属于高速数据采集与处理系统，在实际使用中每秒钟全流程数据处理约1000次，为此，供电电缆出现故障到系统检测到电缆故障最大时延为:电缆被盗检测时延tl = I秒/1000次=I毫秒(电缆传输速率为光速C，在此传输时延可忽略不计)，检测到电缆被盗后，由CC2430芯片组成的ZigBee网络主动上报到上位机控制核心。目前ZigBee网络协议支持速度为250KBps，电缆被盗信息封装后小于500字节。根据实际路灯系统布线，电缆被盗消息在ZigBee网络中数据路由次数不大于5次，则电缆被盗信息通过ZigBee网络传输到控制终端时延为:t2 =500字节*8位/字节/250KBps*5次=80毫秒，电缆被盗信息从发生至上位机控制核心检测到该信息时延为:t = tl+t2 = I毫秒+80毫秒=81毫秒。而上位机控制核心通过GSM模块发送报警信息的时延由当时网络运营部门网络状况有关，一般在5-30秒不等，考虑到其他因素，整体时延不超过40秒。根据路灯系统特性，从电缆被盗到检测到相应信息，40秒可以满足在第一时间发现电缆被盗，确保损失降到最小。
[0035]7、有益效果:本发明相比现有技术具有以下优点，本发明的一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法可以实现全天候24小时监测电缆防盗，末端电压监测装置与前端电源配合，可以完全解决传统电缆防盗白天无法防盗弊端；本发明中采用ZigBee网络，通过CC2430芯片，采用主动上报方式，实现电缆被盗信息及时上报，提高电缆被盗信息上报实时性，采用GSM网络，减少ZigBee子网布控密度，大大减少布控成本；本发明从检测原理、上报方式等多个环节进行优化处理，极大提高电缆被盗告警可靠性和准确度。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是本发明的结构示意图；
[0037]图2是上位机控制核心结构示意图；
[0038]图3是ZigBee子网节点的结构示意图；
[0039]图4是本发明的防盗主动告警的工作流程图。
[0040]如图1所示，本实施例中包括上位机控制核心，GSM发射模块，ZigBee子网节点和末端电压测量装置，上位机控制核心为一个CC2430集成的单片机，用于接收ZigBee子网节点的传输信息，并通过GSM发射模块发出告警，同时该控制核心可以对数据进行分析与存储，并集成有人机交互模块，便于市政部门对异常信息进行查看、分析。上位机控制核心属于ZigBee子网的一个特殊节点,可以与子网内的任何一个ZigBee子网节点通信。
[0041]ZigBee子网节点由CC2430芯片组成最小系统，除最小系统外，还安装有末端电压测量装置，部署在路灯电缆的末端，末端电压测量装置安装在路灯供电电缆的任意两相上，用于实时检测电缆的电压信息，同时路灯电缆的前段安装直流电源，负责在白天路灯不工作的时间供给电缆48V的直流电压，确保末端电压测量装置能够实现全天候对电缆的监测。
[0042]如图2所示，ZigBee子网节点包括中央处理单元、模拟数字转换模块、ZigBee通信网关模块和电源，上述各模块与中央处理单元相连，并由电源(实际应用时可采用干电池或太阳能电池)供电。
[0043]上述各模块安装完毕后，按照ZigBee的Ζ-Stack协议栈配置,组成ZigBee子网，每个ZigBee子网节点分别设置标签(包括上位机控制核心)，一旦发生异常情况，可以根据上报异常的ZigBee子网节点标签，快速确定异常位置，并经过上位机控制核心的中央处理单元解析后，通过GSM模块，及时发送告警信息到市政管理部门。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
[0045]实施例1:
[0046]本发明实施例1如图1-3所示，一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗系统，包括上位机控制核心、ZigBee子网节点、GSM发射模块和末端电压测量装置，其特征在于ZigBee子网节点和上位机控制核心由无线通信相连，末端电压测量装置与ZigBee子网节点集成连接并直接安装在路灯之间的电缆上，ZigBee子网节点包括中央处理单元和与其相连的ZigBee通信网关模块；末端电压测量装置包括数据采集模块和A/D转换器，数据采集模块包括直流测量电路和交流测量电路，其中直流测量电路由I个串联的分压电阻组成，并直接与电缆的任意两相和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；交流测量电路包括耦合变压器和整流滤波器，变压器的输入端直接连接到电缆中任意两相上，变压器的输出端和整流滤波器相连接，整流滤波器的输出端和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；数据采集模块与A/D转换器及ZigBee子网节点顺序连接集成被安装在路灯电缆上，并由路灯电缆上安装的直流电源为其供电；上位机控制核心包括中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块和电源，其中ZigBee通信网关模块直接集成在中央处理单元上，中央处理单元经其I/O接口分别与数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块相连；电源分别连接到中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块和人机交互模块为其供电；人机交互模块包括矩阵键盘和12864IXD液晶显示器；数据存储单元包括SD卡、Flash和EEPROM ；
[0047]所述的中央处理单元是TI公司的CC2430芯片。
[0048]所述的GSM发射模块使用SIM900A集成模块。
[0049]实施例2:
[0050]一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗方法，如图4所示，步骤如下:
[0051]1、开始，各模块初始化，ZigBee子网节点及上位机控制核心上电,各ZigBee子网节点根据Z-Stack协议栈配置起ZigBee子网，上位机控制核心对各ZigBee子网轮询,查看其是否全部进入正常工作状态，白天由路灯电缆上安装的直流电源为其供电；
[0052]2、末端电压测量装置通过其数据采集模块开始获取被监测的各相的电压参数，并将监测到的各相的电压参数经A/D转换器传送到ZigBee子网节点；
[0053]3、预先设置路灯电缆电压的上、下限阈值，其中上限阈值为250V，下限阈值为180V ；ZigBee子网节点判断所接受到的电压变化是否达到阈值，当低于180V或高于250V阈值时，将触发报警，此时判断电路电缆发生故障；
[0054]4、为防止误报发生，系统会在10秒的待机时间后判断所接受到的电压变化是否达到阈值，如果在设定的10秒内接受到的电压变化在180V-250V阈值范围之外，则向其他ZigBee子网节点发出问询，否则等待下次电压上传数据；
[0055]5、若其他ZigBee子网节点电压变化也超过了阈值，则上报上位机控制核心；
[0056]6、上位机控制核心记录出现故障的ZigBee子网节点标签和时间，根据ZigBee子网节点标签解析ZigBee子网节点位置，并通过GSM发射模块向市政管理部门发送报警信息，即发送在何时何地发生电缆故障的报警信息。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗系统，包括上位机控制核心、ZigBee子网节点、GSM发射模块和末端电压测量装置，其特征在于ZigBee子网节点和上位机控制核心由无线通信相连，末端电压测量装置与ZigBee子网节点集成连接并直接安装在路灯之间的电缆上，ZigBee子网节点包括中央处理单元和与其相连的ZigBee通信网关模块；末端电压测量装置包括数据采集模块和A/D转换器，数据采集模块包括直流测量电路和交流测量电路，其中直流测量电路由I个串联的分压电阻组成，并直接与电缆的任意两相和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；交流测量电路包括耦合变压器和整流滤波器，变压器的输入端直接连接到电缆中任意两相上，变压器的输出端和整流滤波器相连接，整流滤波器的输出端和A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端连接到ZigBee子网节点；数据采集模块与A/D转换器及ZigBee子网节点顺序连接集成被安装在路灯电缆上，并由路灯电缆上安装的直流电源为其供电；上位机控制核心包括中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块和电源，其中ZigBee通信网关模块直接集成在中央处理单元上，中央处理单元经其I/O接口分别与数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块、人机交互模块相连；电源分别连接到中央处理单元、数据存储单元、GSM发射模块、ZigBee通信网关模块和人机交互模块为其供电；人机交互模块包括矩阵键盘和12864IXD液晶显示器；数据存储单元包括SD卡、Flash和EEPROM ； 所述的中央处理单元是TI公司的CC2430芯片。
2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗系统，其特征在于所述的GSM发射模块使用SIM900A集成模块。
3.利用权利要求1所述的一种基于ZigBee与GSM网络的路灯电缆防盗系统进行防盗的方法，步骤如下: 1)开始，各模块初始化，ZigBee子网节点及上位机控制核心上电，各ZigBee子网节点根据Z-Stack协议栈配置起ZigBee子网，上位机控制核心对各ZigBee子网轮询,查看其是否全部进入正常工作状态，白天由路灯电缆上安装的直流电源为其供电； 2)末端电压测量装置通过其数据采集模块开始获取被监测的各相的电压参数，并将监测到的各相的电压参数经A/D转换器传送到ZigBee子网节点； 3)预先设置路灯电缆电压的上、下限阈值，其中上限阈值为250V，下限阈值为180V;ZigBee子网节点判断所接受到的电压变化是否达到阈值，当低于180V或高于250V阈值时，将触发报警，此时判断电路电缆发生故障； 4)为防止误报发生，系统会在10秒的待机时间后判断所接受到的电压变化是否达到阈值，如果在设定的10秒内接受到的电压变化在180V-250V阈值范围之外，则向其他ZigBee子网节点发出问询，否则等待下次电压上传数据； 5)若其他ZigBee子网节点电压变化也超过了阈值，则上报上位机控制核心； 6)上位机控制核心记录出现故障的ZigBee子网节点标签和时间,根据ZigBee子网节点标签解析ZigBee子网节点位置，并通过GSM发射模块向市政管理部门发送报警信息，即发送在何时何地发生电缆故障的报警信息。
【文档编号】G08C17/02GK103985240SQ201410230540
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】袁东风, 冯骁, 张海霞, 王宏宾, 高凯, 董冠男, 于莉 申请人:山东大学