基于無線傳感網(wǎng)絡的實驗室監(jiān)管系統(tǒng)設計

田紀亞 王超

摘要：文章主要研究實驗室監(jiān)管系統(tǒng)的軟硬件設計方案，設計主要包括傳感器采集系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)3個部分。實驗室監(jiān)管系統(tǒng)利用傳感器采集實驗室數(shù)據(jù)信息，通過無線方式將數(shù)據(jù)匯聚至上位機控制系統(tǒng)進行實時顯示，移動終端控制系統(tǒng)通過移動網(wǎng)絡遠程訪問上位機進行遠程監(jiān)控。最終根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)人為控制與智能化控制，單一控制與多元控制相結(jié)合的智能監(jiān)管方式。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；CC2530；移動終端；上位機

目前，大部分性能較好的實驗室監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)嶒炇业沫h(huán)境信息進行簡單監(jiān)管，可錄入出入實驗室人員相關信息，可控制實驗室的相關設備，但多項任務需要人為主動控制。電子白板、遮光板、投影儀需要人員操作，環(huán)境監(jiān)管僅是大概的環(huán)境數(shù)值，所有設備均獨立工作，單獨控制設備，不能智能化監(jiān)管和管理實驗室運行情況，既不方便，又增加人力成本和資源損耗，無法滿足現(xiàn)代化實驗室的管理和監(jiān)管，更無法適應如無菌、高低溫等對環(huán)境和人員有特殊需求的實驗室的有效監(jiān)管[1]。因此，設計一款智慧化監(jiān)管、操作簡單、價格低廉，集環(huán)境監(jiān)管、設備管理、人員控制三維一體的實驗室監(jiān)管系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)設計主要面向?qū)嶒炇胰藛T管理、設備調(diào)整、環(huán)境監(jiān)控等因素，主要包括由傳感器、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器組成的無線傳感網(wǎng)絡，負責將數(shù)據(jù)信息匯聚分析和處理的上位機控制系統(tǒng)，用于遠程實時監(jiān)控的移動終端控制系統(tǒng)3個部分。

傳感器采集系統(tǒng)主要包括光照傳感器、人體紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅饕约吧漕l識別（Radio Frequency Identification，RFID）射頻采集系統(tǒng)。傳感器負責采集實驗室信息，如光照強度、火患信息、溫濕度、非法入侵以及出入人員情況等信息。采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過終端節(jié)點無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將匯聚的數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給上位機控制系統(tǒng)進行分析和處理，移動終端控制系統(tǒng)通過移動網(wǎng)絡遠程訪問上位機服務器進行遠程監(jiān)控。設備控制系統(tǒng)包括投影儀控制電路、白板控制電路、遮光控制電路、通風控制電路、門禁控制電路、總報警電路，設備控制電路由協(xié)調(diào)器直接控制。系統(tǒng)原理框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設計中采用德州儀器ZigBeeCC2530無線射頻微處理器，包括多個終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點主要功能是采集傳感器的數(shù)據(jù)并利用無線傳感網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負責搭建無線傳感網(wǎng)絡并匯聚采集的信息。為滿足無線穩(wěn)定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，設計采用2.4 GHz頻段及15信道，具備較好的抗干擾能力，特別適合短距離無線通信系統(tǒng)應用[2]。

2.2 傳感器采集系統(tǒng)

傳感器采集系統(tǒng)設計中包括光照傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鳌⒓t外熱釋電傳感器以及RFID射頻采集單元。光照傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鹘?jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，溫濕度傳感器和紅外熱釋電傳感器直接與終端節(jié)點相連，射頻采集電路主要用于出入實驗室人員刷卡信息的采集和分析[3]。

2.3 設備控制系統(tǒng)

設備控制系統(tǒng)主要包括門禁管理系統(tǒng)、制冷/熱系統(tǒng)、投影控制系統(tǒng)、遮光系統(tǒng)、電子白板系統(tǒng)及聲光報警系統(tǒng)6個部分[4]。傳感器采集系統(tǒng)采用直接（溫濕度傳感器、紅外熱釋電傳感器以及RFID射頻采集單元）和間接（光照傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳎┑姆绞脚c終端節(jié)點相連，多個終端節(jié)點加入無線傳感網(wǎng)絡，并將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，有效覆蓋距離60 m。協(xié)調(diào)器安裝于實驗室的中前部位置，終端節(jié)點排布于實驗室4個方向。為保證光照傳感器實時獲取實驗室光照情況，須安裝于窗口附近。紅外熱釋電及溫濕度傳感器置于實驗室不同方向，實時采集室溫濕度信息及室內(nèi)外人員情況。門禁管理系統(tǒng)用于讀取出入人員卡信息，并將信息傳遞給上位機服務器進行存儲。設計中采用4路火焰?zhèn)鞲衅鞑⒅糜趯嶒炇翼敳浚謩e采集四周的火情信息。當異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)會進行聲光報警，同時GSM模塊直接向管理者的移動終端撥打電路。系統(tǒng)電路示意如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)界面設計

實驗室監(jiān)管系統(tǒng)的軟件設計是指上位機系統(tǒng)界面和移動終端系統(tǒng)界面兩個部分。上位機界面采用VC++6.0軟件完成，利用MSComm串口通信控件獲取來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)信息并進行實時顯示。移動終端可利用移動網(wǎng)絡訪問上位機服務器，進行數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)交互[5]。

軟件設計流程：（1）系統(tǒng)初始化，啟動各項任務輪詢。（2）執(zhí)行各種數(shù)據(jù)的調(diào)度與分析，并存入數(shù)據(jù)庫。（3）多線程進行數(shù)據(jù)采集，獲取的各項基本信息并進行顯示。（4）串口數(shù)據(jù)更新，發(fā)送決策命令。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)設計是指設計協(xié)議棧底層程序，主要研究組網(wǎng)、接收、發(fā)送3個部分的內(nèi)容。協(xié)議棧版本采用Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 版本[6]。

軟件設計流程（見圖3）：（1）系統(tǒng)初始化，主要包括在關閉中斷情況下，初始化板載10， HAL層，MAC層，NVFlash等，接著進行操作系統(tǒng)初始化，然后啟動操作系統(tǒng)進行任務大輪詢。（2）檢測組網(wǎng)情況，并進行信息反饋，如組網(wǎng)失敗則返回至初始化部分，成功則開始逐個采集外界環(huán)境信息。（3）判斷環(huán)境信息采集情況，并進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試

測試過程中該系統(tǒng)具備環(huán)境因素調(diào)節(jié)、設備監(jiān)控、出入人員管理、自動化精準控制等功能，可同時組建多個不同類型的特殊實驗室監(jiān)測方案，既適用于普通實驗室的管理，也可承擔特殊類型實驗室，如高低溫、無菌等對環(huán)境因素要求較高的實驗室監(jiān)管工作，提高了實驗室管理的效率，降低了人力成本，具有較好的經(jīng)濟效益和實用價值。

[參考文獻]

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[3]黃學飛，李兆飛，諸進才，等.基于ZigBee的實訓車間無線監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機與應用，2012（9）：88-90.

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[5]高峰，俞立，盧尚瓊，等.國外設施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢閉[J].浙江林學院學報，2009（2）：279-285.

[6]徐小濤，黃秋實，吳延林，等基于ZigBee的WPAN網(wǎng)絡配置應用[J].今日電子，2009（7）：36-38.