基于STM32和ZigBee無線通信的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)*

朱利娟，云中華，邊巴旺堆，邊巴次仁

(1.西藏大學(xué) 藏文信息技術(shù)研究中心，西藏 拉薩 850000; 2.西藏大學(xué) 信息技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西藏 拉薩 850000;3.西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

0 引言

近年來高校實(shí)驗(yàn)室安全事故發(fā)生頻率不斷增加，而導(dǎo)致這些事故的原因趨于復(fù)雜多樣性，故對(duì)實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)提出了更新、更高的挑戰(zhàn)[1-2]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)對(duì)安全事故的事前預(yù)警、事中及時(shí)處理、事后查詢存在一定局限性[3-4]，同時(shí)易造成人員及設(shè)備等安防資源的浪費(fèi)，為此改善實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)是十分重要的。

本文提出了一種基于STM32和ZigBee無線通信的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)，利用溫濕度、光照、煙霧、人體紅外、門禁等終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與STM32通信，接收數(shù)據(jù)后以漢藏兩種文字顯示。若數(shù)據(jù)越限，將觸發(fā)報(bào)警裝置，同時(shí)將信息通過GPRS發(fā)送到用戶手機(jī)，及通過以太網(wǎng)傳送至學(xué)院管理中心，使危險(xiǎn)信號(hào)得到及時(shí)處理，降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。另外利用串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蒐abVIEW編寫的上位機(jī)中，并在上位機(jī)中以曲線的形式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、記錄。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精確、靈敏度高、成本低、能實(shí)時(shí)地采集終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及克服了安防系統(tǒng)中有線傳輸方式帶來的不便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成。下位機(jī)包括5個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器和主控制器等。上位機(jī)主要對(duì)通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、監(jiān)測(cè)及記錄。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖1中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是由1個(gè)協(xié)調(diào)器和5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。終端節(jié)點(diǎn)首先加入由協(xié)調(diào)器發(fā)起的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后把測(cè)量各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞至協(xié)調(diào)器，接著由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口發(fā)送至STM32，STM32接收數(shù)據(jù)后以漢藏兩種文字顯示，一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，除蜂鳴器報(bào)警外，還將危險(xiǎn)信號(hào)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)，及通過以太網(wǎng)傳送至學(xué)院管理中心。另外STM32利用串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蒐abVIEW編寫的上位機(jī)中，并在上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示、記錄[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用DHT11和DS18B20，精度分別達(dá)到±5%RH和±0.5 ℃，滿足需要；煙霧傳感器采用MQ-2，這是一款廣泛應(yīng)用于家庭、工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置；光照傳感器采用BH1750，它是一種兩線式串行總線接口的數(shù)字型傳感器，部分器件電路具體如下。

2.1 主控制器STM32及電路

STM32是一款運(yùn)行速度快、低功耗、低成本的芯片，且芯片使用Cortex-M3內(nèi)核[6]。STM32電路原理圖如圖2所示。

圖2中主控制器STM32通過串口USART1_TX和USART1_RX與 ZigBee通信，通過串口USART3_TX和USART3_RX與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，通過相應(yīng)的GPIO設(shè)置與按鍵控制、蜂鳴器、以太網(wǎng)、繼電器、步進(jìn)電機(jī)等連接。

2.2 ZigBee技術(shù)及電路

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要包括IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有低成本、低功耗、低速率、自組網(wǎng)及雙向傳輸?shù)忍匦訹7-8]。它通過無線射頻技術(shù)將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)容量大，通信效率高[9-10]。ZigBee協(xié)議中定義了3種設(shè)備類型: 協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和一些相關(guān)配置。路由器主要負(fù)責(zé)尋找、建立、修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由信息，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，提供信息雙向傳輸功能。終端節(jié)點(diǎn)可以接收或發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，但不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)[11]。CC2530電路原理圖如圖3所示。

圖2 STM32電路原理圖

圖3 CC2530電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。系統(tǒng)下位機(jī)采用C語言編寫。具體思路：首先編寫各終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的功能模塊，通過CC2530芯片將數(shù)據(jù)輸出至協(xié)調(diào)器；其次設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器與STM32之間的串口程序、GPRS及以太網(wǎng)通信程序等。上位機(jī)采用LabVIEW編寫，是將下位機(jī)通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)顯示。

3.1 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1下位機(jī)軟件主流程

DS18B20和DHT11采用“一線總線”接口通信制式，為此編程時(shí)需要用IO口模擬相關(guān)時(shí)序。MQ-2利用敏感元器件對(duì)不同濃度的氣體導(dǎo)致電阻的不同得到相應(yīng)的煙霧濃度值。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型傳感器，采用I2C接口。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

圖4中系統(tǒng)上電后，主程序?qū)⑼瓿梢幌盗械某跏蓟ぷ?，加載串口、GPRS和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，等待ZigBee網(wǎng)絡(luò)的各終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳輸至STM32。當(dāng)STM32收到數(shù)據(jù)后，與所設(shè)定的初始值進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)超過初始值，將通過UART2 向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，并通過以太網(wǎng)將危險(xiǎn)信號(hào)傳送至學(xué)院管理中心。

3.1.2ZigBee無信通信程序

系統(tǒng)利用一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，各終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信息，并將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器。其流程圖如圖5所示。圖中ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化之后，各終端節(jié)點(diǎn)首先請(qǐng)求加入由協(xié)調(diào)器發(fā)起的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)有入網(wǎng)請(qǐng)求后進(jìn)行組網(wǎng)，之后各終端節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，接著由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口發(fā)送至STM32。

3.1.3藏文字符程序

藏文字符是一種拼音性字符，包括30個(gè)輔音和4個(gè)元音，其中輔音字母和元音字母構(gòu)成藏文的一個(gè)音節(jié)字[12]。藏文構(gòu)件集點(diǎn)陣字型設(shè)計(jì)以我國(guó)24×48藏文規(guī)范字型為基礎(chǔ)[13]，藏文字符顯示結(jié)果圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發(fā)工具，在數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交互方面有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)[14-15]。程序主要包括串口配置、VISA讀取、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等。上位機(jī)軟件流程如圖7所示，程序功能模塊框圖如圖8所示。

圖8中首先在串口通信中設(shè)置波特率、串口號(hào)、數(shù)據(jù)位選擇等。其次為了識(shí)別下位機(jī)發(fā)送的各終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)識(shí)符‘V’，在數(shù)據(jù)處理部分采用截取字符串方式，當(dāng)標(biāo)識(shí)符‘V’被讀取時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后使用波形圖標(biāo)控件將數(shù)據(jù)進(jìn)行捆綁及字符串顯示、控件顯示，且當(dāng)接收的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)大于特定值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警控件。

圖5 CC2530通信流程圖

圖6 藏文字符顯示結(jié)果圖

圖7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

圖8 上位機(jī)LabVIEW功能模塊程序框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 功能測(cè)試

系統(tǒng)下位機(jī)的實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖9所示，圖中STM32上電后，系統(tǒng)出現(xiàn)以藏漢文字顯示的選擇。 通過按鍵選擇進(jìn)入下個(gè)界面，該界面包括門禁系統(tǒng)、通訊測(cè)試、環(huán)境測(cè)試，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。系統(tǒng)將各終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)分別顯示在液晶屏上，且系統(tǒng)每隔10 s刷新一次數(shù)據(jù)，通過環(huán)境測(cè)試可以清楚地了解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的情況。若參數(shù)越限，將引起蜂鳴器報(bào)警，并通過GPRS將危險(xiǎn)信號(hào)發(fā)送至用戶手機(jī)上，及通過以太網(wǎng)傳送至學(xué)院管理中心。

圖9 下位機(jī)實(shí)物測(cè)試結(jié)果圖

4.2 性能測(cè)試

上位機(jī)LabVIEW前面板界面如圖10所示。圖中該系統(tǒng)以曲線和數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等參數(shù)情況，并設(shè)計(jì)了報(bào)警系統(tǒng)及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。圖中第一條曲線表示節(jié)點(diǎn)1，第二條曲線表示節(jié)點(diǎn)2，第三條曲線表示節(jié)點(diǎn)3，第四條曲線表示節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)5測(cè)量人體紅外信息，0表示無人，1表示有人，當(dāng)有人侵入時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置。從圖中可知，若某時(shí)刻人為改變各傳感器周圍環(huán)境后，系統(tǒng)能夠較敏感地反映各傳感器的變化。

圖10 上位機(jī)前面板界面

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32和ZigBee無線通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室智能安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32作為主控制器，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)網(wǎng)的建立，結(jié)合溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧、人體紅外等傳感器采集各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，若采集參數(shù)越限可根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)窗簾，通過 GPRS實(shí)時(shí)向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息并啟動(dòng)報(bào)警裝置，以及通過以太網(wǎng)將危險(xiǎn)信息傳輸至學(xué)院管理中心。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過串口與上位機(jī)結(jié)合，在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示及存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精確、靈敏度高、成本低、人機(jī)界面直觀、能實(shí)時(shí)地采集各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和有效地避免了繁雜的布線等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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