基于ZigBee的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張鳳英

摘要

現(xiàn)如今，學(xué)校有了以有線通信為基礎(chǔ)的安防系統(tǒng)，但是其運(yùn)行成本較高，靈活性差，基于此，本文設(shè)計(jì)基于ZigBee的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)，首先介紹什么是ZigBee及其構(gòu)成，接著介紹本設(shè)計(jì)用到的主要器材，溫度傳感器LM35DZ和煙霧傳感器MQ-2，然后介紹安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和安全監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，最后闡述具體實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，僅供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】安全監(jiān)管系統(tǒng) 溫度傳感器 煙霧傳感器

學(xué)校的安全監(jiān)控工作一直是學(xué)校建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，目前市面上的安全監(jiān)管系統(tǒng)一般采用有線通信，安裝成本較高，布線也比較復(fù)雜，學(xué)校在安裝過程中會(huì)考慮到資金有限，人力不足，而選擇減少安裝，使得學(xué)校的安防系統(tǒng)存在盲區(qū)。而在無線技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，將無線傳感技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)完善結(jié)合就成為了研究學(xué)者關(guān)注的嶄新研究項(xiàng)目。

1 ZigBee及其構(gòu)成

ZigBee被稱為紫蜂協(xié)議，來源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂在飛翔時(shí)會(huì)發(fā)出嗡嗡的聲音，以此與同伴傳遞信號，告知同伴花粉所在位置。紫蜂協(xié)議的發(fā)展是在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上，延續(xù)了低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的特點(diǎn)，是一種近距離的無線通訊技術(shù)。ZigBee具有傳輸距離短的優(yōu)點(diǎn)，功率消耗較低。ZigBee成立于2001年8月份，創(chuàng)始人是Chipcon、Atmel、Helicomm，成立三年后推出第一個(gè)比較規(guī)范的版本ZigBeeV1.0，這個(gè)版本是單芯片獨(dú)立工作的系統(tǒng)，在后來的幾年間，工作人員經(jīng)過不斷完善改進(jìn)，形成了不同功能的協(xié)議棧，由物理層、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四個(gè)部分構(gòu)成，不同層之間的協(xié)作由“原語”來完成，各協(xié)議棧能夠相互交流信息，通過有效的相互協(xié)作，使得整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作。

2 主要實(shí)驗(yàn)器材

2.1 溫度傳感LM35DZ

在本次設(shè)計(jì)中采用溫度傳感器的型號是LM35DZ，它具有構(gòu)造簡單、成本低、可隨意編程的優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器LM35DZ傳出的模擬信號是電壓和攝氏度，二者之間呈線性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)中從LM35DZ多種封裝形式中選出晶體TO-92式封裝，是一種塑封三極管，之所以被稱為三極管是因?yàn)樗腥齻€(gè)引腳，分別為VCC、模擬輸出、GND，其中GND代表的是地線或者是零線。晶體TO-92式封裝體積小，在安裝時(shí)只需將杜邦線和主板相連，所以具備安裝較靈活的特點(diǎn)。由于電壓與溫度呈線性關(guān)系，所以根據(jù)電壓就可以計(jì)算出溫度，二者之間的轉(zhuǎn)換公式為Vout（T）=10m）/℃×T℃，Vout代表的是電壓，T代表的是溫度。在配置中設(shè)置如下代碼：int val;int dat;va=analogRead（0）;da=（125*val）>>8;這組代碼可以在溫度傳感器檢測到端口電壓值之后，計(jì)算出對應(yīng)的溫度。本次實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于各個(gè)化學(xué)教室、教學(xué)樓、學(xué)生宿舍。根據(jù)溫度傳感器的特性，各個(gè)室內(nèi)空間的溫度不宜過高，這樣只需測得的溫度達(dá)到60度即可判定發(fā)生火災(zāi)。溫度傳感器LM35DZ可監(jiān)測的溫度范圍是0℃～100℃，這是完全滿足實(shí)驗(yàn)需求的。就成本來看，溫度傳感器LM35DZ的價(jià)格只有幾元錢，所以該選擇很合理。

2.2 煙霧傳感器MQ-2

除了溫度傳感器外，該設(shè)計(jì)還需要用到煙霧傳感器，煙霧傳感器的選擇要能夠?qū)瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的易燃物品、易爆物品、有毒氣體有所識別。所以該實(shí)驗(yàn)選擇MQ-2，MQ-2除了能夠感知以上危險(xiǎn)物品外，還能夠探測到氨氣和液化氣。它的構(gòu)件包括測量電極、微型陶瓷管、敏感層、加熱器。微型陶瓷管的材料是AL₂O₃，敏感層的材料是SnO₂。MQ-2處于封裝好的情況下時(shí)有6個(gè)引腳，在使用前的電流加熱過程會(huì)用到兩個(gè)引腳，其余4個(gè)引腳的主要作用是輸出處理后的信息。MQ-2在工作時(shí)接入的電壓范圍要控制在0～24V，在使用前要給煙霧傳感器加熱，加熱的電壓要控制在5V左右，上下誤差不可超過0.2V，以防止內(nèi)部信號線由于電壓誤差過大而熔斷，進(jìn)而防止內(nèi)部元件損壞。煙霧傳感器MQ-2可檢測的煙霧濃度范圍是100-10000PPm。半導(dǎo)體氣敏元件的材料是SnO₂，這種材料在空氣中電導(dǎo)率較低，使用壽命長，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，所以穩(wěn)定性也較強(qiáng)。另外氣體的化學(xué)反應(yīng)過程是可逆的，而且反應(yīng)和恢復(fù)的時(shí)間較短，所以元件可長時(shí)間多次使用。MQ-2構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械性能較好，造價(jià)成本較低。當(dāng)空間中出現(xiàn)煙霧，SnO₂就會(huì)受到影響，材料上的晶粒會(huì)發(fā)生變化，表面的導(dǎo)電率會(huì)隨著產(chǎn)生相應(yīng)變化。借助這一特點(diǎn)，即可測得空間中是否出現(xiàn)煙霧，監(jiān)測火災(zāi)的發(fā)生。煙霧的濃度與導(dǎo)電率成正比，與電阻成反比，根據(jù)這一特點(diǎn)可以推斷煙霧的濃度，預(yù)測火情的大小。

3 安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，準(zhǔn)備的材料是開發(fā)板，選擇的型號是CC2530，數(shù)量是3個(gè)，分別安裝在3個(gè)節(jié)點(diǎn)上，三個(gè)節(jié)點(diǎn)的名稱分別為A、B、C。A為監(jiān)測的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，B為中繼器，C為收集節(jié)點(diǎn)。B作為中繼器起到承接作用，將A監(jiān)測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給C，設(shè)置中繼器的優(yōu)點(diǎn)是通過增加節(jié)點(diǎn)增加傳輸距離，擴(kuò)大無線局域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，增加組網(wǎng)的靈活性。數(shù)據(jù)的傳輸靠平臺(tái)配置支撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通過重新分配調(diào)度，改變組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)傳輸過程中對距離長短的需要。中繼器的安放位置和數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)的數(shù)量都可以適量增加，使得信息收集的更全面完整。A節(jié)點(diǎn)的作用是收集數(shù)據(jù)，通過節(jié)點(diǎn)B傳輸給節(jié)點(diǎn)C，為了完成這一內(nèi)容，要對A進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)置，采用的編寫語言是Basic，這種編程語言的特點(diǎn)是相對于協(xié)議棧來說編寫過程比較簡便輕巧，修改也較簡單，在編寫前將3塊模板連接到PC端，使用軟件IAR Embedded Workbench IDE打開配置代碼，使用仿真器將源文件夾中的代碼轉(zhuǎn)移到A中，為了使信息準(zhǔn)確無誤，在轉(zhuǎn)移前要按下仿真器的復(fù)位按鈕。同樣的操作在B、C模板中也要進(jìn)行，經(jīng)過仿生之后，打開軟件SSCOM3.2，選擇對應(yīng)的串口號，將名稱改為A、B、C，并且保證波特率一致，均設(shè)置為115200。最后的目的是實(shí)現(xiàn)在A的端口輸入字符處輸入需要傳輸?shù)男畔?，?huì)經(jīng)過中繼器B傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)C上。

4 安全監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以前要對安裝好的ZigBee模塊進(jìn)行檢測，確定溫度傳感器和煙霧傳感器的精度。例如在確定溫度傳感器精度時(shí)，使用的設(shè)備器皿是燒杯、酒精燈、溫度計(jì)，要準(zhǔn)備的材料是石棉網(wǎng)、純凈水、透明塑料薄膜。準(zhǔn)備透明塑料薄膜的目的是裹住溫度計(jì)和溫度傳感器，避免二者與外部環(huán)境直接接觸，避免接觸到水，避免水分損壞溫度傳感器。接著要搭建好加熱器材，將純凈水注入燒杯，溫度計(jì)校準(zhǔn)到零度，將裹著塑料薄膜的溫度計(jì)和溫度傳感器同時(shí)放入水中。然后在PC端前觀察溫度計(jì)和溫度傳感器顯示的溫度變化，當(dāng)檢測到溫度逐漸增加并且停留在22.7℃，過五分鐘之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度停留在22.5℃，溫度計(jì)與溫度傳感器顯示的溫度一致，這時(shí)可以斷定溫度傳感器能夠正常使用，且精度滿足要求。

5 具體實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將溫度傳感器和煙霧傳感器接到節(jié)點(diǎn)A，然后將節(jié)點(diǎn)A的設(shè)備放置在距離節(jié)點(diǎn)C的100米處，將B節(jié)點(diǎn)放置在二者中間，進(jìn)行這一操作的前提是保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常通信，接著將包裹著塑料透明薄膜的溫度計(jì)和溫度傳感器放入盛有純凈水的器皿中，點(diǎn)燃酒精燈進(jìn)行加熱，觀察蜂鳴器在不同的溫度條件下是否會(huì)報(bào)警，并詳細(xì)記錄。在進(jìn)行煙霧傳感的試驗(yàn)中，將煙霧傳感器和煙霧探測儀放入密閉的玻璃罩中，點(diǎn)燃蚊香，A節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸?shù)紺節(jié)點(diǎn)，在C節(jié)點(diǎn)連接的PC端觀察，并記錄煙霧數(shù)據(jù)的變化情況。溫度傳感器的報(bào)警溫度設(shè)置是60℃，當(dāng)測得的溫度高于這一設(shè)置值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，煙霧傳感器設(shè)置的濃度是100ppm，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到這一設(shè)置值時(shí)，蜂鳴器也開始報(bào)警。由此可見ZigBee能夠?qū)崿F(xiàn)對校園的智能安全監(jiān)控。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對學(xué)校設(shè)備的安全監(jiān)控，學(xué)校業(yè)務(wù)的安全監(jiān)控，幫助學(xué)校確立了規(guī)范的安全預(yù)警系統(tǒng)，使得安全運(yùn)維人員能夠及時(shí)的接收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全預(yù)警通知，并做全面的報(bào)告統(tǒng)計(jì)，為廣大師生提供了優(yōu)質(zhì)的安全服務(wù)。另外將ZigBee運(yùn)用在設(shè)備安全監(jiān)控中，幫助設(shè)備管理人員詳細(xì)記錄設(shè)備健康狀態(tài)，梳理設(shè)備維護(hù)流程，確保學(xué)校運(yùn)營系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

6 總結(jié)

綜上所述，基于ZigBee設(shè)計(jì)的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)能夠發(fā)揮很好的效果，值得應(yīng)用在校園安全監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠大幅度減少校園安裝安防系統(tǒng)的成本，減少校園安全監(jiān)控的盲區(qū)，在監(jiān)測的過程中能夠及時(shí)反饋各個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的溫度情況、煙霧濃度情況。所以在智慧校園的統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)中，應(yīng)用ZigBee技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊業(yè)務(wù)核心內(nèi)容的抽取和重組，能夠組建更加智能化的運(yùn)維服務(wù)體系。

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