地下综合管廊作为消除“马路拉链”现象、提高城市承载力的有效形式，是智慧城市建设中重要的组成部分[1]。地下综合管廊具有的管线入地、实时监控、维护方便、扩容便捷等优势，是实现城市可持续发展的建设趋势，也是城市信息化管理的优质载体。1研究现状国内的地下综合管廊建设主要历经了4个发展阶段[2]。第一阶段是1978年以前，属于概念阶段，早期地下管廊的建设理念传入我国，但我国的综合管廊建设发展缓慢。第二阶段是1978—2000年，城市化速度加快，部分城市的基础设施建设水平和经济水平不断提高，基础设施的条件不断完善。但各方观点尚未达成一致，内部争议较为明显，综合管廊的建设备受争议。第三阶段是2000—2010年，为快速发展时期，为了适应城市化进程的加速发展，相关部门助推综合管廊的规划与建设工作。国内的综合管廊发展得到了快速发展，也为后续进一步发展奠定了基础。第四阶段是2010年以后，各大中小城市的综合管廊建设都进入一个前所未有的发展阶段。但随着物联网时代的到来，传统的建设与管理面临着信息孤岛、成本高、安全性较差等的各种问题，亟须利用现代化的信息技术对传统的综合管廊进行改造，实现对综合管廊的全过程监测、控制和管理。我国对于城市建设的智慧化、信息化转型尤为重视，再加上近年来城市化进程的加速发展，城市的用地紧张问题日益凸显。为了更好地提升城市的垂直空间利用率，综合地下管廊的作用尤为突出，可以集成各种管线以及其他基础设施放入地下，节约地上空间，提高城市空间的利用效率。2系统的需求分析与整体架构2.1系统的需求分析系统依靠Zigbee技术作为硬件感知层的主要通信技术，通过Zigbee网关收集各节点数据，依靠串口服务器将数据传入局域网络，移动终端依托安卓App为用户构建管理交互平台，用户通过移动终端对管廊的环境和设备进行监测与控制。系统能够解决无法实时获知地下管廊环境状态，需要消耗大量人员进行手工获取和管控的问题，在本系统可以实时查看到地下管廊的环境数据，能够及时了解地下管廊各设备的运行状态。实现了对地下管廊设备的及时、有效控制，减少了人工进入地下管廊现场进行控制的消耗，大幅度地提高了效率，也保障了人员的安全，推动城市地下管廊的良性发展。2.2系统的整体架构本系统作为一个独立且完整的物联网系统，其是由感知层、网络层和应用层3个层级构成的系统[3]。物联网架构如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F001图1物联网架构感知层将通过各种传感器采集环境信息和数据，包括温度、湿度、光照、火情等，负责数据采集和处理等任务，实现更全面和准确的数据分析和应用。网络层接收从感知层收集的信息，负责下接感知层，上接应用层。对从感知层收集到的数据进行处理等操作，以提高传输效率。应用层是面向用户的一个关键环节，提供了可视化的管理平台和运行平台，支持用户对物联网设备的远程控制和管理。3个层次相互协作，只有在每一层都能够完成其功能的情况下，整个物联网系统才能正常运行。2.3系统的架构分析智慧城市地下管廊监测与控制系统是典型的物联网系统。智慧地下管廊系统架构如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F002图2智慧地下管廊系统架构2.3.1感知层的架构分析基于对城市地下管廊实际运行环境的考虑，系统选用的硬件传感器，包含温度、湿度、噪声、CO2、光照、火焰，用这些传感器来采集管廊的实际环境数据；执行器选用了风扇、照明灯、排水泵来对可能的环境管理提供需求，另外还选用了外置的显示屏向用户提供实时的设备运行状态提醒。2.3.2网络层的架构分析各Zigbee节点数据，首先通过Zigbee协调器进行汇聚，协调器是网络控制器，负责管理和控制网络中的其他节点，确保数据在网络中传输顺畅。其次，Zigbee协调器利用RS232串口与串口服务器进行连接，串口路由服务器进行数据转换，将串口数据转换为网络数据，实现远程访问以及控制串口设备。2.3.3应用层的架构分析应用层是与用户直接交互的平台，本系统选择移动终端，也是为了使用户得到更方便的使用体验，用户可直接在安卓终端上查看到数据并且可以远程控制地下管廊的设备，同时还可以进行多人注册使用，实现真正的设备互联。2.4系统的架构分析Zigbee是一种低功耗、近距离无线通信技术，基于IEEE 802.15.4标准来定义通信协议和网络层[4]，主要由IEEE 802.15.4小组和Zigbee联盟两个组织负责标准规范的制定。Zigbee通信技术的独特优势在于其低成本、低功耗、自组织网络和大容量等特点，被广泛应用于各种物联网相关领域。Zigbee协议架构如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F003图3Zigbee协议架构2.5串口路由服务器介绍串口服务器是一种网络设备，可以将串口设备连接到网络中，使远程设备能够通过网络进行访问和控制。通常具有多个串口接口和以太网接口，可实现多个串口设备的网络连接，并提供管理、配置和监控功能[5]。串口服务器的主要作用是将本地串口设备的信号转化为网络数据包，经过互联网传输到远端，然后再将收到的网络数据解析成串口所需的格式，供远端设备或终端用户使用。这种技术可以有效解决串口设备距离远、数量大的问题，支持许多串口设备在互联网上进行共享，提高了工业自动化和物联网应用的效率和可靠性。3系统的总体设计智慧地下管廊系统的硬件总体分为数据采集与设备控制两大部分，数据采集部分包括温度、湿度、噪声、CO2、光照、火情等数据的收集，设备控制部分是对照明灯、排风扇、排水泵A、排水泵B进行实时控制，然后串口服务器控制LED屏幕进行实时的状态显示。物联网系统组成如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F004图4物联网系统组成各设备通过Zigbee节点与传感器获取数据，获取之后汇聚到Zigbee协调器，协调器通过RS232串口上传到串口服务器，串口服务器通过转换将串口数据转换成网络数据，通过网络发送到用户终端。用户需要控制设备时，通过安卓终端界面下发数据至串口服务器，串口服务器再转发到Zigbee协调器，通过具体的控制命令对需要的各节点设备进行控制，从而有效地监测和控制地下管廊的实时环境状态。硬件系统总体框架流程如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F005图5硬件系统总体框架流程4系统的实现本系统的感知层各Zigbee节点的主控芯片采用德州仪器公司生产的一款低功耗无线芯片——CC2530。基于IEEE 802.15.4标准实现了低功耗的无线通信。系统中的感知层各Zigbee节点均使用其进行通信，与协调器组成Zigbee通信网络，连接温湿度、噪声等各传感节点，并控制下属各执行器。Zigbee在本系统的传感节点中外接传感器，并使用CC2530主控进行数据处理，利用发射模块将数据传输到协调器的接收模块，协调器将数据利用串口传输到串口服务器，串口数据再经过串口服务器转换为网络数据，最后传输到应用层终端展示。为了完成对智慧城市地下管廊的有效监测，开发了智慧地下管廊监测与控制系统客户端。客户端利用安卓软件系统作为该系统的应用层[6]，用户首先是注册登录之后获取实时的环境信息，切换控制页面控制相应设备，点击界面对应需要切换的页面即可进行监测、控制、查看、退出等一系列动作。App功能页面如图6所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.004.F006图6App功能页面为了进一步开展本文的研究，搭建了整个硬件系统，本文利用新大陆物联网实验设备进行模拟实验，基本完成了对应设计的功能。5结语智慧城市地下管廊监测与控制系统将物联网的3层架构与城市的地下管廊管理进行了融合，利用Zigbee网络的特性，通过各传感器采集环境数据至协调器进行汇聚，通过串口服务器的Socket通信与用户安卓终端建立通信连接，实现实时监测与控制。整个系统代码较为完善，安卓App界面及交互功能，界面设计较为合理，操作便捷。在整个系统的开发过程中，吸收了市场上现有的相关产品的设计理念，致力为用户提供方便高效的使用体验。