體育場館環境監測系統的設計

孔帥 張亞軍

摘 要：隨著全民性的健身運動迅速在全國普及，體育場館安全環境的監測與建設引起了體育科學、環境科學等相關領域的共同關注。本文提出一種基于ZigBee協議的體育場館環境監測系統。通過溫度、濕度、煙霧、CO2等傳感器結合ZigBee網關等硬件設備實現數據傳輸及處理、信息發送提醒等服務。將該系統應用于體育場館等健身場所不僅可以更大程度保證健身群體的身心健康，也能使健身中心的管理更加高效、安全、便捷，解決傳統管理方式存在的缺陷，從而為場館管理提供科學決策依據。

關鍵詞：監測；ZigBee；傳感器；數據；網絡；AT

中圖分類號：TP274；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0152-03

Design of Environmental Monitoring System for Sports Venues

KONG Shuai，ZHANG Yajun

（Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China）

Abstract：With the rapid popularization of nationwide fitness activities，the monitoring and construction of stadium Safety environment has aroused the common concern of sports science，environmental science and other related fields. This paper proposed a stadium environmental monitoring system based on ZigBee protocol. By temperature，humidity，smoke，CO2 and other sensors combined with ZigBee gateway and other hardware equipment to achieve data transmission and processing，information sending reminders and other services. The application of this system in gymnasiums and other fitness places can not only guarantee the physical and mental health of fitness groups better，it can also achieve more efficient，safe and convenient management，and solve the defects of traditional management methods，so as to provide scientific decision-making basis for venue management.

Keywords：monitoring；ZigBee；sensor；data；network；AT

0 引 言

2008年北京夏季奧運會的成功舉辦，推進我國全民體育事業的大發展，全民健身運動成為與奧運爭光并重的國家戰略。2017年全國運動會在天津的順利舉辦，更加促進了天津體育事業的發展。天津作為直轄市之一，也積極倡導全民健身，全民體育事業蓬勃發展。天津市政府也高度重視體育場館建設，積極倡導體育場館和高校體育場所對社會大眾開放。隨著全民健身的開展，公共體育場館“環境安全”問題也日益突出。

廣義的場館環境安全是指體育比賽、體育健身使用的運動場、館內的空氣環境（有害空氣）、裝備、維護工具器材表面微生物（致病種類）含量對使用人員的健康安全的影響。影響體育運動環境的因素很多，包括大氣環境，有害空氣，微生物種類和含量等。由于條件有限，我們本次研究的重點在于室內環境的檢驗檢測。室內空氣質量檢測的方法主要分為三種：氣體耗氧量法、化學分析法和傳感器檢測法。本文采用傳感器的方法來收集場館的溫度、濕度、二氧化碳的濃度等信息。

本研究設計開發了一種能夠對氧氣、二氧化碳、溫度、濕度等進行實時監測的空氣質量監控系統，并且采用符合國家標準的檢測儀器（國家質檢總局）在相同的位置測試并記載數據，和傳感器的數據進行對比分析，開發數據處理軟件對傳感器得來的數據進行處理，使其更加準確有效。對報警數據進行屏幕提醒，并發送到管理者預設的手機上。提醒場館管理者注意室內空氣質量的變化，以便采取通風、開啟空調等操作，以保障空氣質量。

1 系統平臺總體結構

1.1 系統結構設計和要求

根據前期體育場館的業務調研，本系統設計要求：

每隔10分鐘就采集一次所有位置的溫濕度、CO2數據。

為方便以后進行數據分析，數據應至少保存兩年，如果偶然丟失某次采樣數據，也可以接受。

本系統將取代原有的手工取樣的監控方法，因為體育場館都比較大、挑高高度高，傳統的有線網絡方案并不適用。

采集后的數據通過有線或無線網絡向PC機器傳輸和存儲數據。

考慮到各種傳感器的誤差，需要對數據進行二次處理，以保證數據的正確性。

考慮到采集點的安裝方便性和使用的長期性，終端建議使用電池供電，電池工作時間最少為一年。

根據場館的空氣數據，設計提醒報警功能。

1.2 系統設計框圖

系統總體結構框圖如圖1所示，該系統由采集模塊、接收處理模塊和分析模塊三大部分組成。采集模塊主要完成氧氣和二氧化碳濃度、溫度和濕度的檢測，并將檢測數據通過無線傳輸方式發送至接收模塊。系統通過傳感器來實時采集分布在體育館各處的溫濕度、二氧化碳濃度等信息，借助ZigBee網絡將收集的信息通過ZigBee網關發送到PC網絡。

接收處理模塊是系統的主要模塊，主要用于接收采集模塊發送過來的數據，并進行暫存、報警等操作，然后再將數據發送至分析模塊，當發出報警信息的同時，手動開啟通風設備或空調設備。

分析模塊主要完成對數據的存儲和分析任務，并控制顯示屏顯示當前空氣質量數據。

1.3 本系統采用的網絡設計

本系統屬于較典型的物聯網組網應用。物聯網在網絡傳輸層主要包括3個部分：匯聚網，接入網和承載網。匯聚網主要采用短距離通信技術，如ZigBee、藍牙、紅外線以及私有協議（如SimpliciTI）等技術，實現小范圍的感知數據的匯聚。接入網主要采用M2M及全IP融合架構實現感知數據從匯聚網到承載網的接入。承載網主要是指各種核心承載網絡，如常用的GSM，3G/4G，WLAN，IP網絡等。

802.15.4、ZigBee和SimpliciTI等低功耗無線協議都能比較好地實現復雜性與簡便易用性的平衡，其提供的完整協議架構，便于技術方案的實施。協議特性與簡便易用性相平衡是我們要考慮的一個重要選擇標準，基于協議的開放性和廣泛性，我們選擇使用支持ZigBee協議的系統架構。Zigbee網絡還具有組網速度快、網絡容量大、功耗低等優點。

本方案采用的是支持ZigBee協議的cc2530單片機，采集監測模塊放置在場館里，支持ZigBee協議組網。采集模塊和支持ZigBee的網關通過ZigBee協議組成網絡，由協調器、路由器、終端設備組成。其中ZigBee網絡中的協調器能夠建立和維護網絡，并存儲網絡信息，是網絡的認證中心。ZigBee網絡中的路由器主要作用在于網絡的擴展功能，能夠連接終端設備和中心節點。

我們選用的ZigBee協議的網關NLE-PE9000，支持ZigBee協議和以太網協議，支持WiFi接口或者以太網接口，通過網線或者無線網絡連接到PC網絡。我們將ZigBee無線協議轉換為TCP/IP協議；此網關功能強大，方便開發使用。

將網關連接至普通的交換機或路由器（注意此路由器是普通家庭上網用的路由器，不是ZigBee概念中的路由器），即可將ZigBee系統與Internet網絡連接，方便管理者遠程查看、監控場館環境。

1.4 系統硬件軟件方案

空氣溫濕度傳感器采用高精度兩線串口數字溫濕度傳感器，溫度值輸出分辨率為12位，濕度值輸出分辨率為14位。傳感器電源電壓范圍2.4～5.5V。測量時電流消耗約為550μA，平均28μA，休眠時為3μA。節點可以設置為定時采集，采集完成后進入休眠狀態，可進一步降低功耗。

CO2傳感器光敏探頭功率比較低，不到50mW，供電電壓不到5V。即可以通過兩線串口，讀取溫濕度數據，通過AD間接讀取光照數據。或者通過ZigBee組網傳遞數據。

傳感器終端節點均可以通過COM口進行燒制。

網關型號為新大陸的NLE-PE9000，本網關設備支持WiFi、RS485、以太網、ZigBee、USB、RFID、藍牙等通訊功能，支持電容觸摸屏，使用電源電壓為12V。網關設備的底部有Debug調試口、485接口、電源按鍵、CAN口。其中調試口可用專門的調試線將網關連接到電腦端進行調試；485接口使用專門的網關連接線連接ADAM4150/4017數據采集模塊，從而獲取有線傳感數值；CAN（控制器局域網總線）遵守CAN總線協議，是一種用于實時應用的串行通訊協議總線。在以太網設置中，可以設置網關連接云平臺的通訊IP及端口，負責和上位機進行通訊。通過USB口或以太網口對網關程序進行燒制。

我們采用的短信模塊為RDT-S400模塊，該模塊支持標準的RS232接口，采用工業級高性能GSM收發模塊，發射功率為2W，串口速率1200至115200bps可調，采用標準直流12V電源供電，和管理服務器相連接，工作溫度適應范圍廣。我們使用的AT（AttenTIon）指令集是調制解調器通信接口的工業標準，現在市場上大多數手機均支持GSM7.05規定的AT指令集。GSM通信短信模塊通過AT命令來進行控制，數據傳輸采用短消息方式。一般的GSM模塊都支持AT指令，因此計算機或單片機可以通過串口直接向GSM模塊發送AT指令，來方便地實現短信息SMS的發送、接收和管理。

2 系統運行主要過程

首先根據系統設計的要求，采集傳感器節點，而后燒制程序，每隔10分鐘需要上傳數據。上電后先進行主動掃描，發現網絡后申請加入，成功入網后將被分配短地址，然后向父節點發起綁定請求，成功后定時采集數據并發送，發送完畢進入睡眠狀態，定時，時間到再進行數據采集并發送。

對于采集完成的數據，我們需要對數據進行校正處理。由于不同的傳感器和測試儀器是基于不同的物理方法的，所以測試得到的數據存在差異。如在測試溫度的時候，我們在同一個點分別用傳感器、Fluke 724溫度校準器等設備進行取樣測試，然后對這些數據進行處理。我們利用得到的不同溫度下的誤差補償，進行后期數據處理，得到比較真實準確的溫度數據。其他數據處理的方法與此類似。

上位機需要對采集的數據進行收集存儲。上位機還需要對ZigBee網絡進行網絡監測，確認傳感器終端是否在線，還需要對終端節點的數據進行矯正計算。體育場館的環境信息通過物聯網發送到監控中心服務器端，由數據處理主機負責數據處理，包含顯示環境狀態模塊、人機交互設置模塊、報警輸出模塊和聯動控制模塊。當對體育場館的環境數據進行分析處理時，如果空氣中的溫、濕度過高，CO2等有害氣體含量過高，就可以通知管理人員打開窗戶，或啟動通風系統及時進行通風處理，保證室內空氣的流通；另外，體院場館的所有異常狀態都將輸出布置在場館內的LED顯示屏或電視墻上，從而多角度保護體育場館使用人群的身心安全。

3 結 語

本文利用無線傳感器、通訊網關、無線網絡等物聯網技術，結合體育場館綜合布線比較困難的實際情況，利用ZigBee網絡低碼流傳輸效率高、能耗低等優點，實現了溫度、濕度、CO2數據的采集、處理等工作。充分利用ZigBee網絡實現數據的傳輸和交互，為體育場館的環境監測提供了科學依據。結合數據處理的優化，該系統在測量時具有精度高、穩定性好、實時性強等優點，為場館環境監測、處理提供科學依據。

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作者簡介：孔帥（1977.03-），男，漢族，山東平邑人，就職于天津職業大學網絡與信息管理管理中心，實驗師，研究方向：網絡管理，物聯網研究等；張亞軍（1977-），男，漢族，內蒙古人，就職于天津職業大學電子信息學院，講師，研究方向：計算機軟件開發等。