基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

金開軍 尚厚玉

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室開放管理逐漸轉(zhuǎn)向智能管理模式。本文以實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要利用傳感器的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的安全檢測(cè)，利用終端節(jié)點(diǎn)控制實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)、消防水閥等安全設(shè)備，同時(shí)通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，后臺(tái)服務(wù)器和移動(dòng)客戶端等設(shè)備，分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通信，從達(dá)到實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控的目的，保障實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 實(shí)驗(yàn)安全 監(jiān)控系統(tǒng) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、無(wú)線節(jié)點(diǎn)、后臺(tái)服務(wù)器、移動(dòng)客戶端四個(gè)部分組成。后臺(tái)服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和通信的數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)的監(jiān)控順利進(jìn)行。即有效收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，顯示和傳輸數(shù)據(jù)。無(wú)線節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)安全數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)關(guān)是實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的一種網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，完成后臺(tái)服務(wù)器與無(wú)線節(jié)點(diǎn)的高效連接。移動(dòng)客戶端的功能是接收實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并通過后臺(tái)服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室和操作實(shí)驗(yàn)室接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

2實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由電源模塊、無(wú)線模塊、控制模塊構(gòu)成。其中無(wú)線模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。電源模塊和控制模塊為無(wú)線模塊的工作提供條件?？刂颇K采用msp430f4250微處理芯片，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)采集和整合在分析處理數(shù)據(jù)后返回?zé)o線模塊，用戶可以通過控制模塊設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交互。有效提取由無(wú)線模塊處理的安全數(shù)據(jù)。但如果用戶未在無(wú)線模塊中預(yù)先設(shè)置工作標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)默認(rèn)為大規(guī)模數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)。電源模塊為控制模塊和無(wú)線模塊提供24V電源。為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)與用戶的有線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)連接，降低系統(tǒng)中無(wú)線通信的誤碼率，電源模塊提供兩種供電方式。當(dāng)系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的工作量不是太高，且用戶的有線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能不強(qiáng)時(shí)，電源可用于維持無(wú)線模塊的穩(wěn)定性以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸反之，系統(tǒng)的供電應(yīng)直接使用干電池，使系統(tǒng)的能耗有所降低，系統(tǒng)的便攜性有一定的提高。

為了降低安全監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的誤碼率，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須滿足以下幾點(diǎn)：（1）各傳感器之間可自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng);（2）傳感器的定位準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)集高效、快捷;（3）系統(tǒng)集數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳輸有規(guī)律。（4）數(shù)據(jù)的傳輸要穩(wěn)定安全。為此，系統(tǒng)無(wú)線模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)慕K端設(shè)備選取CC2530射頻芯片作為系統(tǒng)的射頻模塊，這種CC2530系列的芯片以它成本低、組網(wǎng)功能極其強(qiáng)大并且集成了微處理器和射頻通信為一體的特點(diǎn)，保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的工作效率。CC2530射頻芯片的組網(wǎng)功能極其強(qiáng)大，具有6種自動(dòng)組網(wǎng)模式，有8051系列的微控制器內(nèi)核，具備系統(tǒng)硬件調(diào)制的功能，能滿足符合實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。天線接口和顯示接口的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有智能總線協(xié)議和低功耗射頻協(xié)議。智能總線協(xié)議的最大傳輸距離為1220米，傳輸速率可達(dá)9. 8Mbps，并可以實(shí)現(xiàn)400個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行傳輸工作。低功耗射頻協(xié)議使用的傳輸工具是介質(zhì)訪問控制層，抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于智能總線協(xié)議，但是它的傳輸速率低于智能總線協(xié)議。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，當(dāng)用戶的有線網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定時(shí)，使用智能總線協(xié)議，反之，自動(dòng)切換為低功耗射頻協(xié)議。

控制模塊用于控制無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)采集工作，選取msp430f4250微處理器芯片，對(duì)系統(tǒng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。msp430f4250微處理器芯片具有16位的指令計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ο到y(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)操作方式及系統(tǒng)軟硬件有關(guān)編譯的工作進(jìn)度給予有效合理的協(xié)調(diào)，以減小系統(tǒng)采集的誤差，降低無(wú)線傳輸?shù)恼`碼率，提高系統(tǒng)的工作效率。

2.2后臺(tái)服務(wù)器

后臺(tái)服務(wù)器的任務(wù)是將系統(tǒng)接收到的實(shí)驗(yàn)室安全數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的分析處理，將控制指令傳送到網(wǎng)關(guān)。實(shí)驗(yàn)室管理員可以通過APP或PC端查詢后臺(tái)服務(wù)器，獲取實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，或?qū)?shí)驗(yàn)室的安全隱患進(jìn)行遠(yuǎn)程控制處理。后臺(tái)服務(wù)器在移動(dòng)客戶端和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間起連接作用，后臺(tái)服務(wù)器的具體功能為：（1）接收數(shù)據(jù)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)驗(yàn)室安全數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)中讀出。（2）實(shí)驗(yàn)室安全數(shù)據(jù)的管理，以列表的形式將每個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)以列表的方式在界面上顯示，方便實(shí)驗(yàn)室管理員查詢。（3）實(shí)驗(yàn)安全設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)查詢，在界面上以列表的形式顯示實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備的工作狀態(tài)，管理員點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)，在界面上彈出該設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)控制當(dāng)點(diǎn)擊攝像頭時(shí)，調(diào)節(jié)攝像頭的方向，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)死角顯示，并在界面上顯示清晰的圖像或視頻。實(shí)驗(yàn)室的安全隱患易發(fā)生于實(shí)驗(yàn)室無(wú)人值守，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生安全報(bào)警提示時(shí)，實(shí)驗(yàn)室管理員通過移動(dòng)客戶端訪問后臺(tái)服務(wù)器，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中查看實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，找到實(shí)驗(yàn)室安全隱患原因，控制效果安全設(shè)備，排除安全隱患，降低或避免不必要的損失。

2.3移動(dòng)客戶端

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的移動(dòng)客戶端采用基于安卓操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件，包括JDK以及Eclipse軟件移動(dòng)端，連網(wǎng)的移動(dòng)客戶端輸入ip地址，連接成功后，手機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全數(shù)據(jù)的刷新，實(shí)驗(yàn)室管理員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的安全情況。

3結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控進(jìn)行系統(tǒng)分析，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其架構(gòu)簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，可控性高具有動(dòng)態(tài)路由和自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)在具體使用過程中，能根據(jù)不同的需求接入相應(yīng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。因此能夠適用于不同的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控，具有一定的推廣價(jià)值。

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