基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

萬百會 魏 玲 鄧云琛 王國輝

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022）

0 引言

近年來，隨著我國高校教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校在校生的數(shù)量不斷增多，從而需要高校的實驗室的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，使之成為培養(yǎng)高校優(yōu)秀畢業(yè)生重要組成部分。研發(fā)實驗室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提上日程，目前這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是利用傳感器組網(wǎng)完成實驗室環(huán)境參數(shù)的感測，實現(xiàn)實驗室安全的監(jiān)控、管理和控制。實驗室的環(huán)境條件是實驗正常展開的最重要的保證之一，一般來說，實驗室環(huán)境主要包括溫度、濕度、光線、空氣凈化級別等等。通過/采集控制中心，實驗室內(nèi)的壞境條件可以適時的傳送到中央處理系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于系統(tǒng)設(shè)定最高溫時，中央處理系統(tǒng)會通過控制實驗室的開關(guān)，自動開啟制冷空調(diào)；當(dāng)濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的最低值時，中央處理系統(tǒng)將自動開啟加濕器的開關(guān)，當(dāng)實驗室的光線暗于最低值時[1]，同樣，中央處理系統(tǒng)也可通過傳感器自動打開實驗室的燈光或窗簾等采光，當(dāng)實驗室出現(xiàn)安全問題時，如火災(zāi)，漏水，漏氣等，采集控制中心和中央處理系統(tǒng)的互動將會在第一時間啟動消防系統(tǒng)的自動報警功能，關(guān)閉有危險的電力，水力等系統(tǒng)，將險情在第一時間得到控制同時將實時信息反映在實驗室管理人員的實時通訊設(shè)備例如移動電話接口等。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由AT89S52及其總線結(jié)構(gòu)、鍵盤、LCD12864、5V 繼電器、聲光報警、ZigBee模塊、傳感器（包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外熱釋電模塊、光敏電阻小模塊）組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)通過微控制器采集溫濕度信號、光信號、煙霧信號以及輸出一些控制信號，并通過ZigBee通信模塊將采集的數(shù)據(jù)按照一定數(shù)據(jù)格式傳輸給管理PC機(jī)，在PC中對實驗室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集及處理、統(tǒng)計等。系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點的數(shù)量可以根據(jù)實驗室的實際應(yīng)用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，這些節(jié)點自組織構(gòu)成的無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)將具備感測、控制、判斷、自恢復(fù)和多元通信等功能。系統(tǒng)中的各個傳感器節(jié)點能夠協(xié)同其他節(jié)點檢測實驗室的環(huán)境信息，并作出相應(yīng)的判斷和動作，同時將信息通過ZigBee發(fā)送給管理者或者接受管理者的指令進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系信息無線傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計采用的CC2430為核心的Zigbee控制模塊。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展[2]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點等三種角色。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee的組網(wǎng)方式如圖2所示，系統(tǒng)中選用星型的組網(wǎng)方式。

圖2 ZigBee的組網(wǎng)方式

圖3 系統(tǒng)總體程序框圖

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)軟件設(shè)計思想

從整個系統(tǒng)運行過程來看，可以將系統(tǒng)的運行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數(shù)據(jù)采集模塊向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出控制命令，能對實驗室內(nèi)的設(shè)備比如燈光、溫度、濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制。

在上傳處理時，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運行時首先需要創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行配置，將現(xiàn)場的實時信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；一旦接收到數(shù)據(jù)上傳命令，就將采集的信息上傳；網(wǎng)關(guān)在接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，一方面，需要對數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗；另一方面，及時將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程管理節(jié)點，并根據(jù)有效傳輸數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時，系統(tǒng)首先由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送允許控制命令，同時要將底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起來，一旦遠(yuǎn)程用戶控制中心通過控制界面對底層發(fā)送控制命令或呼叫命令，首先要檢測命令的正確性，然后，依據(jù)命令中的設(shè)備號查詢控制的設(shè)備名稱，當(dāng)這些設(shè)備都正常運轉(zhuǎn)時，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行現(xiàn)場的控制，系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

進(jìn)行實時、多元的檢測，實現(xiàn)了智能化無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控功能；充分利用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性的特點，保障了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實驗室環(huán)境參量的實時監(jiān)控提高提供了一個高效的實用平臺。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，系統(tǒng)測試的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，可以根據(jù)實際需求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行傳感器的擴(kuò)充以實現(xiàn)更多功能。

［1］李磊,林土勝,吳振強(qiáng).基于Zigbee技術(shù)的實驗室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].實驗室技術(shù)與管理,2011,28(1)：108-116.

［2］李文仲.Zigb ee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.