物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室安防信息采集中的應(yīng)用研究

郭小丹　陳小瑩　胡永

摘要：針對當前高校實驗室安防信息采集應(yīng)用的局限性，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室的信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)融合了多種傳輸方式，運用嵌入式技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)實現(xiàn)了實驗室安防實時監(jiān)測，能夠及時反映實驗室險情，大大簡化了工作流程，給管理人員帶來了極大的便利。測試表明，系統(tǒng)運行可靠，反饋正確，完全滿足應(yīng)用需求，具有較高推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)； 安防采集； Zigbee； GSM； 電力載波

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）04-0054-04

Abstract：To solve the information collection and application limitations existing in current colleges safety system， the Internet of things technology will be applied to information acquisition system lab. Combining multiple transmission modes， this system has realized real time monitor on laboratories by adopting Embedded Technology， Wireless Sensor Technology， and Communication Technology. Thus dangerous situations in laboratories can be detected quickly， and the workflow is also simplified which brings great convenience to the administrators. Test results have proved this systems reliability and correct feedback， which satisfies the need of application. Hence it has high value of popularization and application.

Key words：The Internet of Things； Surveillance and Safety Control； Zigbee； GSM； Power Line Carrier

0引言

高校實驗室是實施人才培養(yǎng)、開展科學(xué)研究以及提供社會服務(wù)的重要場所，而且實驗室又占據(jù)著高校固定資產(chǎn)的較大份額，如何進行實驗室的安全維護和集中管理也已成為研究界一個熱門課題。本文即將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實驗室安防領(lǐng)域，并在當前實驗室環(huán)境監(jiān)測范圍內(nèi)，前端運用傳感器采集險情信號，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)實驗室安防信息的智能化獲取，如此則大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；再則，將現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)和無線公網(wǎng)也融合到系統(tǒng)中，并運用多種傳輸方式將前端采集到的信息可靠地傳輸至后臺，即使得用戶與各監(jiān)測節(jié)點可進行實時信息交互。

1系統(tǒng)框架與原理

本系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：環(huán)境監(jiān)測前端、數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站和系統(tǒng)處理后端。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)定義[1]可知，該系統(tǒng)中監(jiān)測前端屬于感知層；GSM網(wǎng)絡(luò)，電力載波通信，Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸都屬于網(wǎng)絡(luò)層；系統(tǒng)處理后端PC機和用戶手機則屬于應(yīng)用層。相應(yīng)地，各個部分就需要執(zhí)行對實驗室數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集與發(fā)送，數(shù)據(jù)的接收、判斷與傳輸，接收報警信息的處理，以及最終完成實驗室信息的可視化、查詢和管理等重要功能。系統(tǒng)具體框架結(jié)構(gòu)即如圖1所示。

由圖1可知，前端監(jiān)測模塊定時采集各個傳感器信號，對信號進行濾波、放大、處理后通過Zigbee將實驗室狀態(tài)發(fā)送至中轉(zhuǎn)站，中轉(zhuǎn)站將根據(jù)實驗室當前安全狀態(tài)，選擇傳輸途徑，再將安全狀態(tài)發(fā)送給PC機軟件或者向?qū)嶒炇夜芾砣藛T手機發(fā)送報警短信。管理人員則可通過手機短信或者PC機監(jiān)控軟件發(fā)送查詢狀態(tài)命令，以獲取實驗室實時安全狀態(tài)信息，監(jiān)測模塊收到采集命令后，即刻采集所有傳感器數(shù)據(jù)并通過中轉(zhuǎn)站發(fā)送給管理人員手機或PC機軟件。

2實驗室安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1前端監(jiān)測模塊設(shè)計

在實驗室安防檢測應(yīng)用中，部署在實驗室環(huán)境中的監(jiān)測模塊位于整個物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最底層，向上為傳輸網(wǎng)絡(luò)，鄰近是后臺基站和管理員手機，再后則連接Internet。由于本系統(tǒng)功能是對實驗室安防的異常信息進行報警，考慮到產(chǎn)品的成本和資源浪費問題，最終采用的即是將溫度、煙霧和紅外這三種傳感器接入到同一個監(jiān)測模塊的設(shè)計方案，方案設(shè)計如圖2所示。

2.2智能傳輸通道的搭建

本設(shè)計傳輸通道可以定義為從前端監(jiān)測模塊經(jīng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到后臺數(shù)據(jù)處理之間的通信系統(tǒng)，包括中轉(zhuǎn)站傳輸與后臺傳輸。中轉(zhuǎn)站MCU首先獲得前端采集的實驗室狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后選擇使用電力載波和Zigbee兩種傳輸方式發(fā)送給后臺MCU，如果出現(xiàn)險情，與此同時系統(tǒng)就會通過GSM短信模塊向?qū)嶒炇夜芾砣藛T手機發(fā)送報警短信，后臺MCU在接收到中轉(zhuǎn)站發(fā)來的數(shù)據(jù)后將進行一定的處理，再通過串口直接發(fā)送給PC機。系統(tǒng)各組成部分數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3所示。

2.2.1智能傳輸通道硬件設(shè)計

（1）GSM短信模塊。ZWG-03A是一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能短信收發(fā)終端設(shè)備，用戶不需關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸細節(jié)，通過其提供的RS232接口，即可完成短信收發(fā)，使用非常方便。可以通過配置工具及短消息這兩種方式來整合設(shè)備，實現(xiàn)在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任意傳輸。

（2）電力載波模塊。電力載波模塊是傳輸通道的重要傳輸模塊之一，能夠完成數(shù)據(jù)調(diào)制到電力線的功能。BWP20 電力載波模塊提供半雙工通信功能，可以在220/110V，50/60Hz 電力線上實現(xiàn)信號調(diào)制和解調(diào)。該模塊為用戶提供了透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸與用戶協(xié)議無關(guān)，由用戶通訊協(xié)議驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谕慌_變壓器下，多個BWP20模塊可以連接在同一條電力線上，而且在主從通信模式下，模塊將分別單獨工作，不會相互影響。

（3）MAX232電平轉(zhuǎn)換。由于控制器既要連接提供RS232[2]接口的ZWG-03A，又要連接提供UART接口的Zigbee，為了節(jié)省成本，使用控制器固有的UART通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換后連接ZWG-03A模塊，而利用IO口模擬UART連接Zigbee模塊。

單片機的UART接口采用TTL電平，設(shè)定正邏輯，電壓范圍0～5V，短信模塊和電力載波均采用RS232接口，電壓范圍±15V之間，為了能相互通信，需要實現(xiàn)電平匹配，使系統(tǒng)的工作穩(wěn)定而可靠。在實際使用過程中一般采用電平轉(zhuǎn)換芯片，本系統(tǒng)則采用MAX232。

2.2.2覆蓋組網(wǎng)與傳輸

數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站在本系統(tǒng)中擔任了異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中繼的角色：借助Zigbee網(wǎng)絡(luò)完成與前端監(jiān)測模塊通信；利用電力載波通信和Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與后臺PC機通信；通過GSM網(wǎng)絡(luò)與實驗室管理人員手機通信。由此而實現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸及其上層數(shù)據(jù)應(yīng)用。

為了適應(yīng)監(jiān)測點的動態(tài)添加和移除，前端節(jié)點與傳輸中轉(zhuǎn)站均通過Zigbee協(xié)議[3]完成通信。因前端監(jiān)測設(shè)備節(jié)點數(shù)量少，通信距離近，且需要前端節(jié)點數(shù)量能夠隨時動態(tài)增減，組網(wǎng)時采用的是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從中轉(zhuǎn)站到后臺數(shù)據(jù)處理模塊之間采用Zigbee無線和電力載波有線兩種傳輸路徑進行數(shù)據(jù)傳送。無線傳輸雖然方便快捷，但在一定的情況下卻可能會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的丟失，因此同一過程也還要采用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸。在后臺獲取數(shù)據(jù)的時候，則可將兩種路徑傳輸來的數(shù)據(jù)進行對比，確定傳輸數(shù)據(jù)的可信度，降低數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生錯誤的概率。而在此期間，實驗室管理人員還可以借助手機接收遠程報警短信。

3系統(tǒng)的實現(xiàn)及測試

系統(tǒng)構(gòu)成包括了如下部分：多套傳感器、前端監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站、GSM短信模塊、電力載波模塊、后臺數(shù)據(jù)處理模塊等。其中，前端監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、后臺數(shù)據(jù)處理模塊的主控制器均采用STC12C5A60S2單片機，而其控制程序則采用高效的C語言編寫。各個控制模塊軟件實現(xiàn)流程即如圖4所示。

本系統(tǒng)模擬監(jiān)測兩個實驗室，所以配備2個監(jiān)測模塊，分別連接紅外傳感器—用于監(jiān)測是否有人入侵，以及煙霧傳感器和溫度傳感器—用于監(jiān)測是否有火情以及溫度是否正常，并通過所連接的ZigBee模塊，將監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)實時傳送至中轉(zhuǎn)站。中轉(zhuǎn)站涉及的是轉(zhuǎn)發(fā)模塊，分別連接ZigBee模塊、電力載波模塊以及GSM手機模塊。后臺存儲著數(shù)據(jù)處理模塊，分別連接電力載波模塊、ZigBee模塊和一臺PC機。在配置完成系統(tǒng)各部分模塊后，確認傳感器完好無損，運行監(jiān)控軟件，并給各個模塊上電，聯(lián)合調(diào)試。具體測試布局如圖5所示。

分別改變各傳感器監(jiān)測對象的條件，系統(tǒng)能夠及時地向上反饋信息。從實驗室監(jiān)測模塊到中轉(zhuǎn)站間ZigBee無線傳輸偶爾有數(shù)據(jù)丟失，由于發(fā)送頻率較高，所以對結(jié)果影響不大。中轉(zhuǎn)站到后臺是通過兩條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，可靠性較高，在測試過程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏。通過辦公室的監(jiān)控軟件查詢兩個實驗室狀態(tài)，系統(tǒng)也能及時地收到回復(fù)。人為改變傳感器監(jiān)測條件，使其滿足報警條件，管理人員手機也能及時收到報警短信。經(jīng)過長時間連續(xù)測試，系統(tǒng)仍平穩(wěn)可靠工作。

4結(jié)束語

本文將物聯(lián)網(wǎng)與實驗室安防系統(tǒng)相結(jié)合，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室安防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)采用了泛在網(wǎng)工作委員會提出的物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)，按照感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4-5]。前端感知設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站之間借助低功耗的Zigbee技術(shù)，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)通信。在網(wǎng)絡(luò)層，可通過Zigbee技術(shù)、GSM短信技術(shù)和電力載波技術(shù)，以冗余鏈路的方式將數(shù)據(jù)可靠地傳送到后臺PC機和管理人員的手機上。最后，模擬實驗室環(huán)境，搭建了安防信息采集系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)測試，取得良好效果。

參考文獻：

[1]TAN L，WANG N.Future internet：the interne of things[C]//3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering（ICACTE）， 2010， 5：376-380.

[2]DAFALLA Z I， BANI-YOUNIS J A，WAH L K.Design and analysis of control system using neural network for regulated DC power supply[J].Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China，2011（4）：65-68.

[3]張莉. ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電信網(wǎng)技術(shù)， 2010， 3（3）： 1-5.

[4]楊廣學(xué)，李鳳嬌，慕香永，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的家居安防系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2010（S2）：300-302，318.

[5]李綱，任國恒，王迆冉.基于Zigbee技術(shù)的家居抄表系統(tǒng)設(shè)計[J].智能計算機與應(yīng)用， 2014（1）：20-23.