基于ZigBee的實驗室遠程監測系統設計

周旋+諶建飛+趙丹+杜亞蘭+唐立軍

摘 要：實驗室智能監測手段的缺失使安全事故難以及時發現，同時實驗室環境對遠程實驗的操作過程和實驗結果具有很大的影響，需要對其進行有效監測并對險情進行報警。文章針對實驗室環境監測及安防的需要，設計一個基于Zigbee的實驗室遠程監測系統，該系統由數據采集模塊、遠程通信模塊和Web應用模塊三部分組成，可以實現對實驗室內溫濕度、光強、火焰、有害氣體濃度和人員入侵等數據的實時監測和險情報警。系統測試表明，該系統實時性強、監測全面、智能化程度高，能有效解決實驗室環境監測問題。

關鍵詞：遠程實驗室；環境監測；傳感器；ZigBee

中圖分類號：TP315 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）04-0084-05

遠程實驗技術是信息化教育中較難解決但又必須解決的問題。由于許多實驗在進行的過程中對環境有特殊要求，比如光照度、溫濕度等對實驗操作過程和實驗數據有很大影響[1]，同時實驗室智能化管理的缺失導致其安防成為一個不容忽視的問題，而目前對于遠程實驗中實驗室環境監測及安防方面的研究還比較少[2]，現如今國內大部分高校實驗室采用的管理和監控方案中，建置和維護成本較高，系統的靈活性和擴展性較差 [3，4]。

針對這個需求，本課題研究一個基于多種傳感器數據采集、ZigBee組網、以太網通信和Web應用的實驗室遠程監測系統。該系統能夠對實驗室溫度、濕度、光照強度、空氣中有害氣體的濃度和人員入侵等數據的實時監測和險情報警，為減少遠程實驗中環境對實驗操作以及實驗結果的影響和在實驗室安全性和智能化管理方面提供可行的解決辦法。

一、系統總體框架

為了實時監測實驗室環境狀況并及時險情報警，減少實驗環境對遠程實驗操作和結果的影響，該系統所應具備的功能有：①實時監測實驗室內溫濕度、光照強度、火焰、有害氣體濃度和人員入侵等。②數據采集節點布置靈活和擴展性強，以無線通訊方式進行數據傳輸。③管理員可遠程管理實驗室并實時查看實驗室環境狀態和歷史數據。④管理員可遠程設定溫濕度、光照強度和有害氣體濃度報警上下限和開啟人員入侵和火光檢測，實現實時報警并記錄報警日志。

根據以上需求分析，對遠程實驗室環境監測系統的總體框架進行設計，該系統分為數據采集模塊、遠程通信模塊和Web應用模塊。系統總體框架如圖1所示。

數據采集模塊實現對實驗室內溫濕度、光照強度、火焰、有害氣體濃度和人員入侵等數據的采集。該模塊由中央處理節點[5]、路由管理節點和多種傳感器組成，中央處理節點和路由管理節點是由基于CC2530芯片的ZigBee模塊構成，傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器、火焰傳感器以及紅外線傳感器，傳感器數據傳輸采用ZigBee組網，將數據通過中央處理節點直接或路由管理節點間接傳給遠程通信模塊。

遠程通信模塊實現將中央處理節點接收到的數據轉發至Web服務器，該模塊的核心是一個支持以太網通信的STM32單片機，數據采集模塊的中央處理節點與STM32單片機之間采用串口通信，STM32單片機與Web服務器采用基于TCP/UDP的網絡通信方法[6，7]。

Web應用模塊由Web服務器和數據庫服務器組成，用于對實驗室環境數據的存儲和處理，實現實驗室環境狀況實時顯示、歷史記錄查詢和險情報警，并支持多種客戶端訪問。

二、系統設計

1.數據采集模塊設計

數據采集模塊是用來采集實驗室環境數據，通過ZigBee組網通信經過路由器節點間接或中央處理節點直接發送至遠程通信模塊，該模塊由中央處理節點、路由器節點和多種傳感器（溫濕度、氣體、光照、火焰、人體紅外）組成。中央處理節點與路由器節點都采用基于CC2530芯片的ZigBee模塊，中央處理節點下載中央處理節點程序，充當對外數據交換的總結點，路由器節點下載路由器程序，充當路由器用作通信中繼點，另外每個數據采集節點也都由基于CC2530芯片的ZigBee模塊搭載相應傳感器組成。

溫濕度數據采集采用SHT11傳感器，溫度采集精度可達到±0.5℃，濕度采集精度可達到±3.5%RH。氣體濃度數據采集MQ-2傳感器，該傳感器對氫氣、丙烷、液化氣、天然氣以及其他有害蒸汽具有很好的檢測靈敏度，其檢測濃度范圍為300-10000ppm。光照強度數據采集采用GY-30傳感器，該傳感器對光譜的反應時間大約與人眼的反應時間相等，具有寬范圍、高分辨率、光噪聲抑制功能，可對白熾燈、鹵素燈、熒光燈、白燈以及陽光的光照度進行監測，光學可調范圍為0.11lx～100000lx[4]，小測量變差為±20%，紅外線的影響非常小。火焰檢測采用基于紅外接收的火焰傳感器，檢測火焰波長在760納米～1100納米范圍內，探測角度在60度左右，對火焰光譜的檢測尤其靈敏，且靈敏度可調，火焰越大測試距離越遠。人員入侵檢測采用熱釋電紅外人體傳感器，能檢測到方圓20米范圍內活動的人[9]。

數據采集模塊程序設計分為傳感器數據采集節點和collectorEB-PRO（中央處理節點/路由器節點），傳感器數據采集節點包括傳感器數據讀取和無線通信傳輸，傳感器數據采集節點程序設計流程如圖2所示。首先，把傳感器擴展版模塊設置成終端節點，然后對傳感器進行初始化，處理終端節點的所有關鍵事件。射頻模塊通過協議傳輸確認與父節點取得聯系后進行數據傳輸確認。確認數據打包捆綁工作完成后再次確認與父節點的聯系，接收父節點數據發送的指令，完成對異步數據收發器端口的定義。開啟傳感器，傳感器通過射頻核心板加入網絡，開始讀取數據并傳送至CC2530芯片。在上一次采集完畢后，重置傳感器，再次采集數據發送至CC2530芯片進行臨時數據存儲，最終把累次采集的數據進行捆綁打包傳輸至父節點。

collectorEB-PRO的程序模塊圖如圖3所示。命令事件處理函數模塊的功能是在任務事件啟動時被操作系統調用喚醒。設備關鍵事件處理函數模塊的功能是處理中央處理節點或者路由器節點裝置的所有關鍵事件。開始確認函數模塊在系統開始請求操作完成后由zigbee協議棧回調。數據發送確認函數模塊在系統發送操作完成后，由zigbee協議棧回調。綁定確認函數模塊在系統的綁定操作完成后由zigbee協議棧回調。允許綁定確認函數模塊在另一個設備嘗試綁定該節點設備是被zigbee協議棧調用。發現設備確認函數模塊在傳感器數據采集節點完成發現設備這一操作后，被zigbee協議棧回調。數據接收指示模塊在設備接收到一個節點設備發來的數據時，被zigbee協議棧異步調用以通知應用程序。系統ping命令接收函數模塊的功能是ping命令請求接收。建立系統ping響應函數模塊的功能是建立并發送ping響應。網關報告建立發送函數模塊的功能是建立并發送網關報告。虛擬報告發送函數模塊被用于在PC GUI上對collector可視化。FCS和串行消息計算函數模塊的功能是計算的FCS校驗和串行消息。

2.遠程通信模塊設計

遠程通信模塊是轉發實驗室內傳感器數據到遠程Web服務器的通信核心[8]，采用STM32單片機來設計遠程通信模塊，支持串口通信和以太網通信。數據采集模塊的中央處理節點與STM32單片機之間采用RS-232串口通信方式，波特率38400、數據位8、停止位1、無校驗位。STM32單片機與遠程Web服務器之間采用基于TCP傳輸協議的以太網Socket編程進行通信，將從串口接收到的數據通過以太網口發送至遠端的Web服務器，TCP傳輸協議是一個面向連接的運輸層協議，傳輸數據之前，需要先建立好TCP鏈接，傳輸結束后，則釋放該鏈接，能夠有效的保證通信的可靠性[10]。

STM32單片機只負責將數據進行轉發不進行解釋，因此中央處理節點與STM32單片機之間串口通信和STM32單片機與Web服務器之間網絡通信的傳輸數據格式是相同的，具體見表1。

3.Web應用模塊設計

Web應用模塊接收來自通信模塊轉發的實驗室數據，對其進行解釋實時推送到瀏覽器客戶端，并將其保存到數據庫中。另外還提供管理功能和報警功能，即管理員在線管理實驗室、歷史記錄查詢、實驗室實時狀況查詢和系統超出上下限時自動險情報警，Web應用模塊設計包括數據庫設計和功能模塊設計。

（1）數據庫設計

系統的數據庫主要包括以下兩個方面的內容：

實驗室的基礎信息：每一條記錄代表一個實際的實驗室，用于存儲和唯一標識對應實驗室，管理員可以進行創建、修改、刪除和查看操作，對其進行管理。

實驗室的環境參數信息：包含實驗室所要監測的各類環境參數如溫濕度、光強、火焰、有害氣體濃度和人員入侵等信息，方便管理員實時查看最新數據和歷史數據。

數據庫采用Oracle公司的MySQL數據庫，下面將分別介紹系統的主要數據表，表2為實驗室信息表，表3為實驗室環境參數表。

通過對系統數據進行字段分析與設置相應的約束，并通過定義主從鍵對表與表之間進行關聯，完成數據庫功能設計。

（2）功能模塊設計

①實驗室管理功能設計

實驗室管理主要實現新建、編輯、刪除等操作，管理員通知身份驗證后進入系統的實驗室管理頁面對實驗室進行管理。圖4為實驗室詳細管理流程，用戶在進入實驗室管理后，選擇要進行的操作，如選擇新建實驗室則進入到新建實驗室界面，輸入實驗室的相關參數，然后進行提交，此時會驗證參數的合法性，如果通過則保存到數據庫中，然后返回到實驗列表面。編輯實驗室與刪除實驗室則是對管理員選中的某一實驗室進行操作，對于未開放的實驗室不支持實驗室環境參數的實時查看功能。

②實時狀況查詢及報警功能設計

實時狀況查詢及報警功能主要通過Ajax技術實現，Ajax技術通過異步請求向Web服務器發出請求，將最新的實驗室環境數據以JSON方式傳輸到客戶端中進行處理。客戶定義了update函數用于Ajax異步加載數據，調用javascript的setInterval方法設定每隔1秒執行update函數。在進行客戶端界面數據刷新前會執行數據檢測和上下限值檢測，如果數據與上一次的數據是同一數據則不進行更新，否則執行數據更新并與設置的上下限進行對比，如果超出限制范圍發布險情報警。

③歷史記錄查詢功能設計

歷史記錄查詢功能用于幫助管理員了解實驗室的歷史狀態，對實驗室環境進行評估。管理員通過POST請求方式將用戶選定的實驗室的ID數據提交到后臺，根據ID在數據庫中檢索出對應實驗室的歷史數據，經過處理后與視圖結果一起返回給客戶端，完成對應實驗室的歷史環境數據查詢，圖5為歷史查詢流程圖。

實驗室環境參數的客戶端顯示部分采用了Bootstrap框架中提供的一款多功能表格插件DataTable.js對數據進行顯示。該表格提供了按照記錄時間的先后、溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度以及人員入侵進行排序和篩選的功能。

三、系統測試與結果分析

整個系統主要由基于Web的監測平臺及基于Zigbee的無線傳感器組網組成，圖6為系統的監測界面，具有允許管理員實時查看溫濕度、光照度、有害氣體濃度等數據，并對人員入侵、火災進行報警的功能，客戶端界面能實時更新實驗室環境數據。

為了驗證系統的性能，在這里采取幾個實驗對系統進行測試。數據采集模塊測試方案及測試結果分析分別為：

1.溫濕度傳感器測試方法

用一個標準的溫濕度計與實驗室監測的溫濕度傳感器，同時同地點測量相同時間長度的實驗室環境溫濕度，然后通過遠程實驗網絡平臺查看。實驗結果及數據如圖7。

經過測試并對實驗結果分析得到結論為：系統對于濕度采集的誤差約為9.1%，溫度采集的誤差約為0.76。

2.火焰火源傳感器測試方法

主要測試它的監測覆蓋范圍，在實驗中用打火機產生的火焰充當火源。實驗結果如表4。

經過測試并對實驗結果分析得到結論為：該火焰火源感測范圍為80cm。在實驗室內多點安裝后，能有效對實驗室內火災報警。

3.紅外人體感應傳感器測試方法

主要測試其感測覆蓋范圍，采用了5m、10m、15m、19m、20m、21m的抽樣檢測其監測覆蓋范圍，實驗結果如表5。

經過測試并對實驗結果分析得到結論為：人體感應的最大距離為20m，經過多點安裝，能在實驗室遭遇人員入侵時報警。

通過以上實驗及結果分析，可知組網的網絡信號穩定，強度能確保傳感器數據采集系統在實驗室范圍內正常通信。

四、結論

實驗室遠程監測系統使用ZigBee無線組網搭建一個室內多節點傳感網絡，實現實驗室內溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等數據的采集，并且能對火災以及人員入侵進行報警，方便管理員對實驗室進行在線管理。本研究對實驗室遠程監測實現過程的數據采用、遠程通信和Web應用開發進行了詳細介紹，并通過系統測試驗證了系統的實時性、監測全面性，對實驗室遠程監測技術與智能化管理技術的具體工程應用具有參考價值。

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（編輯：魯利瑞）