基于Zigbee的室內環境監測系統設計研究

汪雷

摘 要：建筑物具有房間多、范圍廣的特點。為了方便用戶能夠直觀的了解室內環境信息，系統設計了地圖管理模塊。環境監測系統由監測中心和傳感器網絡組成，傳感器采集室內環境的信息通過無線的方式把數據發送到終端節點，終端節點通過串口把數據傳送至監控中心，再進行數據的分析。給出了系統的功能設計，數據庫設計，軟件設計。

關鍵詞：無線傳感器；監控系統；數據庫

中圖分類號：X830.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2018）02-0014-06

隨著我國的經濟發展和科學技術水平的提高，人們對于學習、生活環境的安全性、舒適性要求日益增長，尤其是對室內環境質量的更是嚴格。在日常生活中，通常要求一個溫度適宜的環境。因此，有必要了解室內的實時溫度、濕度、煤氣的濃度，以便于進行一定調節。從而減少由于環境因素的超標對人體造成的傷害。傳統的室內環境監控系統所需的設備較多，布線復雜，可靠性低，抗干擾能力差，日常管理和維護的費用高。物聯網技術可以解決這個問題。

物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，是通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。ZigBee 技術是物聯網的核心技術之一，是近年來發展起來的一種近距離無線通信技術。ZigBee 技術以其低功耗、易組網、低成本、短時延、高容量、高安全等優點在智能家居應用中受到廣泛關注。基于此本文設計了運用ZigBee技術的監測系統。

1 系統框架

整個系統由監控中心和Zigbee傳感器網絡組成如圖1所示，ZigBee 網絡通常由三個節點構成： 協調器（ Coordinator）節點、路由器 （ Router）節點、傳感器（ End Device）節點。[1]協調器節點是整個網絡的核心，負責網絡的啟動、配置和管理。路由器節點負責數據的收發和處理。傳感器節點實現了環境信息的感知和收集然后通過路由節點以多跳的方式將數據發送給協調器節點，ZigBee 協調器 在系統中起通信媒介的作用，主要負責控制中心與各子系統之間的通信，負責將數據上報給監測中心。[2]監測中心就是一臺PC機，用來顯示、分析檢測到的數據。本文主要討論數據的采集和分析。

系統以學校的教學樓為對象，根據實際需求，對于監控系統有如下要求：系統的權限分為管理員和普通用戶。

（1）監測系統能夠實時的、可靠地顯示當前室內的環境信息。管理員和普通用戶在PC機上都能夠實時的看到數據、查詢歷史數據。數據可以通過表格、趨勢圖的形式呈現給用戶。

（2）管理員能夠在PC機上設定參數，當檢測到的數據高于這個設定的參數，能夠報警提醒用戶，以便用戶采取相應的措施。

（3）管理員可以在系統中管理傳感器節點和地圖，調節傳感器在相應地圖中的位置，以便用戶根據地圖就能知道實際在地圖中相應位置的參數。

（4）管理員能夠實現對于系統的日常維護，包括數據的刪除、修改和備份。 根據上述要求，系統分成六個模塊，如圖2所示，即用戶管理模塊，數據采集模塊，系統設置模塊，數據庫模塊、數據庫管理模塊、報警模塊。下面對六個模塊進行詳細設計。

2 詳細設計

2.1 用戶管理模塊

系統的權限分為普通用戶和管理員。模塊功能圖如3所示，用戶登陸系統時需要輸入用戶名和密碼，系統通過查詢比較數據中的用戶名和密碼，若一致則通過，并且獲得相應的權限，否則出現錯誤提示。

2.2 數據采集

數 據 采 集 模 塊 控 制 核 心 和 ZigBee 終 端， 同 時， 選 用 帶有 ZigBee 功 能 的 CC2530 無 線 通 信 芯 片。[3]CC2530集成了時鐘電路，MCU接口電路，射頻輸入/輸出匹配電路為一體。將傳感器節點安放任意位置，則構成一個廣泛的監測網絡。系統對于室內環境監測主要有室內的溫度、濕度、煤氣的濃度，默認的情況下是隔兩秒中采集一次。采集信息的終端節點和PC機是通RS-232相連。以溫濕度傳感器為例說明傳感器結構，如圖4 所示。

2.3 數據庫設計

在設計數據庫時，考慮到數據庫要利于開發和管理，系統選用了SQL server作為后臺數據庫。SQL Server 是一個關系型數據庫管理系統，能夠對于應用關系有很好的映射，同時，它也是一個企業級的數據庫，可以容納海量數據，有界面直觀和使用廣泛的優點。[4]根據要求設計了一個Temper數據庫，含4個表，如表1-表5所示。

user是系統用戶的管理表，記錄了所有用戶的用戶名，密碼，權限和登陸次數。其中所有的字段都不能為空，用戶名為該表的主鍵。

SUM是系統的信息匯總表，記錄了所有樓的基本信息，包括樓的名字，這棟樓的層數和存儲這棟樓的信息表格的名稱。其中所有的字段都不能為空，“名稱”為該表的主鍵。

Table1～3是記錄每個節點的基本信息，每個表的數量與節點數量相等，字段都相同。由于這里只有三個節點所以建了三張數據表。其中所有的字段都不能為空，地址為該表的外鍵。

Ttable是每棟樓的信息匯總表，記錄了在該棟樓里放置節點的所有地址和存儲節點信息的表的名字。表的數量與樓的數量相等。該表中所有的字段都不能為空，“地址”為外鍵。

2.4 數據查詢

為了方便的分析數據，系統設計了歷史數據的查詢。數據分為以趨勢圖顯示和表格顯示，查詢分為根據地址查詢、根據檢測到的信息類別查詢和根據時間查詢。若所輸入的查詢條件在數據庫中無法找到相應的數據點，則出現“模塊沒有檢測該時間點的溫度”字樣，這就需要從新返回輸入查找條件。

（1）根據地址查詢。管理員需要查詢數據必須首先選擇需要查詢的地址。如果需要更方便的分析數據則需要選擇檢測信息類別和時間段。

（2）根據檢測信息類別查詢。 系統檢測到的信息種類分為溫度、濕度、煤氣的濃度。用戶根據需要進行選擇。

（3）根據時間查詢。數據查詢的模式是年月日，時分秒，根據存儲的數據的格式來查找數據。

2.5 系統設置

本系統的特色在于系統設置模塊。系統設置包括地址管理，地圖管理和節點管理。管理員可以根據需要添加、刪除、修改地址即對數據庫中相應的表操作。地址包括每棟樓的名稱，每棟樓的樓層，放置節點的房間編號。

地圖管理為用戶根據地址在系統中導入已經存在的地圖，目前系統中可以導入地圖的格式為常用的圖片格式.gif，.jgp，.bmp。如果地圖較為簡單，管理員可以自己繪制示意圖，繪制完成后管理員可以選擇保存地圖或者插入到系統中去，保存的格式也為.gif，.jgp，.bmp格式。管理員繪制地圖為在畫圖板中繪制，操作方法與普通的繪圖板一致，在繪制的時候只需選擇需要的元素。該繪圖板的原理為，對繪制地圖常用的形狀顏色，線條的粗細做了封裝。

節點管理就是管理員根據傳感器節點的實際位置在地圖相應的位置中插入一個熱點。為了便于用戶識別，熱點的名稱就為放置節點的房間號和傳感器類型（溫度、濕度、煤氣的濃度），用戶在靠近這個熱點時，提醒用戶附近有可用的熱點，點擊這個熱點就可以查看這個節點采集到的信息。

2.6 報警模塊設計

系統的報警主要是通過軟件來實現的，主要完成的功能為用戶輸入一個閾值，當采集到的數據超出閾值則該節點處的蜂鳴器報警且在該地圖相應位置的熱點閃爍，提醒用戶直至采集到的參數低于閾值，蜂鳴器停止，同時，停止閃爍。

3 系統測試

下面是系統的測試，針對完成的設計進行系統測試和結果顯示，使本套系統更直觀地展現在用戶面前。

（1）用戶通過輸入用戶名、密碼和正確的驗證碼登陸到主界面，也可以通過選擇添加用戶進入用戶添加頁面。

（2）添加用戶是在系統中創建使用溫度檢測系統的用戶，包括用戶的名稱，用戶角色，密碼。

（3）用戶登陸后，進入主頁。主頁主要是起導航的作用。這里用Admin的賬號登陸，看到如圖5的主頁。上面的菜單分為三欄分別為設置、查詢和退出。設置菜單主要是為管理員提供地圖管理、地址管理、繪制地圖和數據備份操作。查詢菜單主要為用戶提供數據報表、歷史數據查詢、即時

數據查詢操作。退出菜單就是退出整個系統。左側是整個系統的地址分布。用戶雙擊地址，則頁面顯示相應的地圖。在地圖上可以看到該區域的溫度變化情況。如果管理員在系統中沒有插入地圖，則顯示的是空白區域。這里管理員先進入了地圖管理模塊。

（4）圖6為地圖管理模塊。系統的地圖管理用于管理員在系統中插入地圖和節點。管理員在右側的地址中選擇插入相應的地圖，然后在地圖的相應位置插入節點。若是該地址有相應的地圖，則右邊該地址顯示為藍色，若該地址有節點，則右邊該地址顯示為黃色。這次測試中在系統中插入相應的地圖和節點。

（5）圖7是數據查詢頁面。數據查詢是為用戶提供查詢歷史數據，用戶選擇數據查詢，則數據以表格的形式呈現。選擇數據圖像，則數據以曲線圖的形式呈現，用戶可以清楚的看到溫度變化的趨勢。用戶在查詢數據前，必須要選擇地址。

（6）圖8是即時數據查看。是為用戶提供查詢節點此時采集到的數據，以曲線圖的形式呈現。用戶可以清楚的看見溫度變化的趨勢。上面的菜單分為三欄分別為設置、查詢和退出。設置為設置系統的采樣時間，串口。保存為保存趨勢圖，供用戶分析。

（7）圖9是繪制地圖界面。管理員繪制地圖的方法與普通繪圖板的方法一致，管理員選擇需要的圖形和顏色，在白色的區域進行繪制。這里我們僅僅畫了一個示意圖。

（8）刪除數據是用戶把不需要的數據刪除，用戶需檢索到需要刪除的數據，然后刪除如圖10。若需要恢復則通過找回數據恢復。

對于數據庫的維護有數據庫備份和找回數據。備份數據是管理員在主機上選擇合適的路徑對于重要的數據備份，備份數據能夠在數據丟失的情況下，恢復重要的數據，如圖11。找回數據主要是對于用戶刪除的數據做一個管理，如圖12。如果用戶需要找回已經被刪除的數據，則可以選擇還原。如果管理員確定刪除數據，則選擇徹底刪除。

系統是以頁面的展示位核心，以上是對系統的主要幾個模塊的描述。

4 結語

基于Zigbee的室內環境監測系統，通過CC2530實時的傳輸數據。經過測試該系統能夠滿足對于環境監測的要求，采集到的信息符合實際情況。該系統具有成本低、效率好、實時性好等特點。但是系統在以下方面有待提高。

（1）提高溫度檢測的精度。 溫度很容易受外界影響，如果系統長時間使用將導致硬件散熱不及時，可能導致傳感器檢測到的溫度不精確。所以如何精確地檢測溫度，減少硬件的干擾是我們需要解決的。

（2）節點增多時系統能夠順暢。 本系統的節點比較少，所以不存在節點的協調問題。但如果有成百上千的節點，就存在節點的沖突問題。所以如何協調好個節點間的協調問題，有待進一步解決。

參考文獻：

[1] 陳智杰，余楚中，王鵬飛，等. ZigBee 技術在家居智能監控中的應用研究[J].微計算機信息，2011，27（1）：64-66.

[2] 蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于 CC2530 的 ZigBee 數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012，22（11）：197-200.

[3]辛海亮，鐘佩思，朱紹琦， 等.基于ZigBee的物聯網智能家居控制系統[J].電子技術應用，2013，39（12）：79-81.

[4] 殷松遷，郭培源，王建華.基于嵌入式及 ZigBee 技術的居室環境監測系統[J].嵌入式技術2012，38（8）：23-25.

A Study on the Monitoring System for Indoor Environment Based on Zigbee

WANG Lei

（Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade， Huainan 232007， China）

Abstract： The complex structure has many rooms and covers a wide range. A map management module is designed to facilitate the users to understand the indoor environment information directly. The environmental monitoring system consists of the monitoring center and the sensor network， the sensor collects the indoor environment information and sends data to the terminal node through the wireless mode， the terminal node transmits data to the monitoring center through the serial port and then carries out data analysis. This paper is to give the function design， database design and software design of the system.

Key words： wireless sensor； monitoring system； database

責任編輯 張志釗