基于STM32和ZigBee無線通信的實驗室安防系統*

朱利娟，云中華，邊巴旺堆，邊巴次仁

(1.西藏大學 藏文信息技術研究中心，西藏 拉薩 850000; 2.西藏大學 信息技術國家級實驗教學示范中心，西藏 拉薩 850000;3.西藏大學 工學院，西藏 拉薩 850000)

0 引言

近年來高校實驗室安全事故發生頻率不斷增加，而導致這些事故的原因趨于復雜多樣性，故對實驗室安防系統提出了更新、更高的挑戰[1-2]。傳統實驗室安防系統對安全事故的事前預警、事中及時處理、事后查詢存在一定局限性[3-4]，同時易造成人員及設備等安防資源的浪費，為此改善實驗室的安全防護是十分重要的。

本文提出了一種基于STM32和ZigBee無線通信的實驗室安防系統，利用溫濕度、光照、煙霧、人體紅外、門禁等終端節點采集數據，將數據通過ZigBee網絡發送至協調器，協調器通過串口與STM32通信，接收數據后以漢藏兩種文字顯示。若數據越限，將觸發報警裝置，同時將信息通過GPRS發送到用戶手機，及通過以太網傳送至學院管理中心，使危險信號得到及時處理，降低人員傷亡和財產損失。另外利用串口將數據傳輸到由LabVIEW編寫的上位機中，并在上位機中以曲線的形式將數據實時顯示、記錄。實驗證明該系統具有性能穩定、結構簡單、測量精確、靈敏度高、成本低、能實時地采集終端節點的數據及克服了安防系統中有線傳輸方式帶來的不便等優點。

1 系統總體設計

系統由下位機和上位機組成。下位機包括5個ZigBee終端節點、1個協調器和主控制器等。上位機主要對通過串口傳輸過來的數據進行分析、處理、監測及記錄。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

圖1中ZigBee無線網絡是由1個協調器和5個終端節點構成的。終端節點首先加入由協調器發起的ZigBee網絡，然后把測量各節點的數據傳遞至協調器，接著由協調器經串口發送至STM32，STM32接收數據后以漢藏兩種文字顯示，一旦檢測到報警信號，除蜂鳴器報警外，還將危險信號通過GPRS網絡發送到用戶手機，及通過以太網傳送至學院管理中心。另外STM32利用串口將數據傳輸到由LabVIEW編寫的上位機中，并在上位機中實時顯示、記錄[5]。

2 系統硬件設計

溫濕度傳感器采用DHT11和DS18B20，精度分別達到±5%RH和±0.5 ℃，滿足需要；煙霧傳感器采用MQ-2，這是一款廣泛應用于家庭、工廠的氣體泄漏監測裝置；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是一款運行速度快、低功耗、低成本的芯片，且芯片使用Cortex-M3內核[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網絡通信，通過相應的GPIO設置與按鍵控制、蜂鳴器、以太網、繼電器、步進電機等連接。

2.2 ZigBee技術及電路

ZigBee標準協議主要包括IEEE802.15.4 標準協議，具有低成本、低功耗、低速率、自組網及雙向傳輸等特性[7-8]。它通過無線射頻技術將數據從一個節點發送到另一個節點，網絡容量大，通信效率高[9-10]。ZigBee協議中定義了3種設備類型: 協調器、路由器和終端節點。協調器主要負責網絡的建立和一些相關配置。路由器主要負責尋找、建立、修復網絡報文的路由信息，轉發網絡報文，提供信息雙向傳輸功能。終端節點可以接收或發送網絡報文，但不允許路由轉發[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 系統軟件設計

該系統軟件包括上位機部分和下位機部分。系統下位機采用C語言編寫。具體思路：首先編寫各終端節點采集數據的功能模塊，通過CC2530芯片將數據輸出至協調器；其次設計協調器與STM32之間的串口程序、GPRS及以太網通信程序等。上位機采用LabVIEW編寫，是將下位機通過串口傳輸過來的數據進行分析、處理、存儲及實時顯示。

3.1 系統下位機軟件設計

3.1.1下位機軟件主流程

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

圖4 下位機軟件設計流程

圖4中系統上電后，主程序將完成一系列的初始化工作，加載串口、GPRS和以太網驅動程序，等待ZigBee網絡的各終端節點的采集數據通過協調器傳輸至STM32。當STM32收到數據后，與所設定的初始值進行比較，若數據超過初始值，將通過UART2 向用戶手機發送報警信息，并通過以太網將危險信號傳送至學院管理中心。

3.1.2ZigBee無信通信程序

系統利用一個協調器和多個終端節點構成ZigBee通信網絡，各終端節點負責采集信息，并將數據傳送至協調器。其流程圖如圖5所示。圖中ZigBee網絡初始化之后，各終端節點首先請求加入由協調器發起的ZigBee網絡，協調器發現有入網請求后進行組網，之后各終端節點將采集數據發送至協調器，接著由協調器經串口發送至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個輔音和4個元音，其中輔音字母和元音字母構成藏文的一個音節字[12]。藏文構件集點陣字型設計以我國24×48藏文規范字型為基礎[13]，藏文字符顯示結果圖如圖6所示。

3.2 系統上位機軟件設計

系統上位機采用NI公司的LabVIEW作為開發平臺，LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發工具，在數據采集和人機交互方面有著十分明顯的優勢[14-15]。程序主要包括串口配置、VISA讀取、數據處理、實時顯示、存儲、報警等。上位機軟件流程如圖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置波特率、串口號、數據位選擇等。其次為了識別下位機發送的各終端節點采集的數據，設計一個標識符‘V’，在數據處理部分采用截取字符串方式，當標識符‘V’被讀取時才進行數據處理。最后使用波形圖標控件將數據進行捆綁及字符串顯示、控件顯示，且當接收的各節點數據大于特定值時，啟動報警控件。

圖5 CC2530通信流程圖

圖6 藏文字符顯示結果圖

圖7 上位機軟件設計流程

圖8 上位機LabVIEW功能模塊程序框圖

4 系統測試

4.1 功能測試

系統下位機的實物測試結果如圖9所示，圖中STM32上電后，系統出現以藏漢文字顯示的選擇。 通過按鍵選擇進入下個界面，該界面包括門禁系統、通訊測試、環境測試，用戶可根據需求進行選擇。系統將各終端節點采集的數據分別顯示在液晶屏上，且系統每隔10 s刷新一次數據，通過環境測試可以清楚地了解當前實驗室的情況。若參數越限，將引起蜂鳴器報警，并通過GPRS將危險信號發送至用戶手機上，及通過以太網傳送至學院管理中心。

圖9 下位機實物測試結果圖

4.2 性能測試

上位機LabVIEW前面板界面如圖10所示。圖中該系統以曲線和數字形式實時顯示溫濕度、光照強度、煙霧濃度等參數情況，并設計了報警系統及存儲數據的功能。圖中第一條曲線表示節點1，第二條曲線表示節點2，第三條曲線表示節點3，第四條曲線表示節點4，節點5測量人體紅外信息，0表示無人，1表示有人，當有人侵入時啟動報警裝置。從圖中可知，若某時刻人為改變各傳感器周圍環境后，系統能夠較敏感地反映各傳感器的變化。

圖10 上位機前面板界面

5 結束語

本文提出了一種基于STM32和ZigBee無線通信技術的實驗室智能安防系統，該系統以STM32作為主控制器，利用ZigBee無線網絡通信技術實現實驗室內網的建立，結合溫濕度、光照強度、煙霧、人體紅外等傳感器采集各終端節點的數據，若采集參數越限可根據光照強度實現自動關窗簾，通過 GPRS實時向用戶手機發送報警信息并啟動報警裝置，以及通過以太網將危險信息傳輸至學院管理中心。同時將采集到的數據通過串口與上位機結合，在上位機中實現了數據的實時監測、顯示及存儲。實驗證明該系統具有運行穩定、結構簡單、測量精確、靈敏度高、成本低、人機界面直觀、能實時地采集各終端節點的數據和有效地避免了繁雜的布線等諸多優點。

[1] 石婷萍.校園綜合安防監控系統的設計與管理研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[2] 葉忠杰,趙俊波. 基于物聯網技術的校園綜治安全系統研究[J]. 現代電子技術,2012,35(22):51-54.

[3] 褚文杰,楊楠.校園網絡監控系統的設計[J].物聯網技術,2015(4):99-102.

[4] 葉斌.視頻監控技術的發展與現狀[J].中國傳媒科技,2012(12):229-230.

[5] 袁安富,夏生鳳.基于ARM和Linux的DM9000網絡接口設計及驅動實現[J].計算機工程與科學,2011,33(2):27-31.

[6] 王佳.基于STM32的智能家居控制系統的設計與開發[D].西安:長安大學,2013.

[7] 王小強,歐陽駿,黃寧淋,等.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京:化學工業出版社,2012.

[8] 楊靖,林益,李捍東.基于ARM和WSNs的智能家居安防系統設計[J].自動化儀表,2012,33(3):38-41．

[9] 趙小強,雷雪,馮勛.基于ZigBee/3G的物聯網網關系統[J].西安郵電大學學報,2015,20(1):24-29.

[10] 黃銘,高仲合,張弁.ZigBee網絡協議轉換的嵌入式網關設計[J].電子技術,2015(5):55-57.

[11] Yan Dongmei, Dan Zhiguang. ZigBee-based smart home system design[C].3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering,Chengdu, 2010: 650-653.

[12] 高定國,普布旦增.藏文字庫設計中字形輪廓提取方法的研究[J].西藏大學學報(自然科學版),2009,24(2):64-66.

[13] 王曉軍,才科扎西.藏文編碼字符集構件集點陣字型的設計[J].西北民族學院學報(自然科學版),1998,19(1):17-20.

[14] 林靜,林振宇,鄭福仁. LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通(第2版)[M].北京: 人民郵電出版社,2013.

[15] 王顯軍.LabVIEW對串口采樣測量數據的處理[J].電子測量技術,2014,37(3):107-111.