基于物聯網技術的物理實驗室環境安全監控系統

夏傳鴻

【摘? ?要】? ?設計基于物聯網技術的物理實驗室環境安全監控系統，包括物理實驗室環境信息采集模塊、數據采集模塊、環境信息觸發模塊、數據存儲模塊和輸出硬件接口模塊。采用上位機平臺實現物理實驗室環境安全監控信息傳輸，構建傳感器模塊和信號聯合調理模塊實現對物理實驗室環境信息特征分析，構建高頻率數據信息處理模塊。通過可編程的邏輯處理器，實現對物理實驗室環境安全監控和優化控制。測試結果表明，設計的監控系統收斂誤差較小，數據記錄性能較好。

【關鍵詞】? ?物聯網技術;物理實驗室;環境;安全監控;數據采集

Environmental Safety Monitoring System of Physics Laboratory

Based on Internet of Things Technology

Xia Chuanhong

（Hefei University， Hefei 230601， China）

【Abstract】? ? A physical laboratory environmental safety monitoring system based on Internet of Things technology is designed， including physical laboratory environmental information acquisition module， data acquisition module， physical laboratory environmental information trigger module， and data storage module and output hardware interface module based on Internet of Things. The upper computer platform is adopted to realize information communication of physical laboratory environmental safety monitoring， and the sensor module and signal joint conditioning module are constructed to realize analysis of physical laboratory environmental information characteristics， and the high-frequency data information processing module is constructed. Through the programmable logic processor， the physical laboratory environment safety monitoring and optimization control are realized. The test results show that the convergence error of the designed physical laboratory environment safety monitoring system is small and the data recording performance is better.

【Key words】? ? ?internet of things technology; physics laboratory; environment; safety monitoring; data acquisition

0? ? ?引言

智能物理實驗室環境安全監控是實現智能物理實驗室環境信息化智能管理的關鍵，通過構建環境監控系統，利用計算機、通信網絡技術以及物聯網技術，建立環境監控的嵌入式系統，提高智能物理實驗室環境監控和信息化管理能力。在嵌入式系統中，結合人體探測儀、水浸監測、攝像頭等智能監測設備，構建基于物聯網技術的智能物理實驗室環境監控系統，實現對物理實驗室的信息化管理和監控[1]。

傳統的物理實驗室環境安全監控系統一般是通過安保人員實時查看監控畫面，受到監控時間段的差異性以及環境限度的影響，導致監控效果不好，特別是按時間段現場進行巡視過程中，不能有效實現對異常情況處理。為了降低物理實驗室環境監控的成本，提高監控可靠性，提出基于物聯網技術的物理實驗室環境安全監控系統[2]。

1? ? ?系統總體設計

1.1? ?環境安全監控系統總體結構模型

以防火、防盜以及防爆安全監控為目標對象，構建物理實驗室環境安全監控系統的總體結構模型，包括物理信息分析模塊和環境信息分析模型，通過自動切斷危險電源，實現對物理實驗室環境安全監控，采用基于ZigBee無線傳感網絡傳輸協議[3]。環境安全監控系統總體構架如圖1所示。

根據圖1所示，采用CS、SDI和CLK構成物理實驗室環境安全監控系統的物聯網組網控制協議，通過RS485總線實現物理實驗室環境安全監控系統的主機總線傳輸控制，在I/O接口中實現物理實驗室環境安全監控的傳輸控制和信息交互，采用路由總線配置，實現對物理實驗室環境安全監控系統的網絡拓撲結構設計[4]，得到的網絡拓撲結構如圖2所示。

本文的物理實驗室環境安全監控系統網絡拓撲結構設計方案，采用無線網絡的物聯網設計方法，在物理實驗室環境中，采用微型傳感網絡裝置，在MAC層均采用IEEE802.15.4協議標準構建物理實驗室環境安全監控系統的傳輸層協議[5]，得到物理實驗室環境安全監控系統的輸出總線，如圖3所示。

1.2? ?環境安全監控系統功能模塊構造

構建物理實驗室環境安全監控系統的功能模塊，包括基于物聯網的信息采集模塊、數據采集模塊、物理實驗室環境信息觸發模塊、數據存儲模塊和輸出硬件接口模塊[6-8]，系統的功能模塊構架如圖4所示。

采用多個ZigBee節點進行物理實驗室環境安全監控系統的機房物理信息傳輸和視頻傳輸模塊，采用視頻數據分析，實現對物理實驗室環境的動態監控識別，通過無線射頻分析和RFID標簽識別，構建物理實驗室環境安全監控系統的物聯網體系，采用多傳感器融合結構實現對物理實驗室環境安全監控的節點連接，電源適配器實現對物理實驗室環境安全監控系統的電源供電，通過電源管理芯片進行DC轉換控制[8]，采用氣體傳感器實現對物理實驗室環境安全監控系統的物理信息采集，系統的硬件功能模塊結構組成如圖5所示。

2? ? ?系統硬件功能模塊設計

2.1? ?信息處理模塊

信息模塊主要實現對物理實驗室環境安全監控系統的信息處理和原始數據采集，采用多源傳感信息處理方法，構建物理實驗室環境安全監控系統的信息處理器，采用集成DSP實現對安全監控系統的信息融合，通過Um接口接入物理實驗室環境安全監控系統的GPRS PL MN，在INTERNET標識模式下，構建物理實驗室環境安全監控系統的輸出總線層，由移動臺地址的IP包實現對物理實驗室環境安全監控的輸出信息轉發，GGSN接受物理實驗室環境安全監控信息[9]，再轉發到SGSN，繼而傳送到物理實驗室環境安全監控系統的移動臺上。物理實驗室環境安全監控系統的信息處理結構流程如圖6所示。

2.2? ?網絡模塊

物理實驗室環境安全監控系統的網絡模塊是通過外部分組網絡實現，通過移動臺以無線方式連接到GPRS蜂窩上，實現物理實驗室環境安全監控及物聯網組網，物理實驗室的網絡監控分為信息輸入層、適應層、輸出層等，采用終端網絡協議，建立物理實驗室環境安全監控系統的網絡接口，采用分組控制單元（PCU，Packet Control Unit）和監控系統的Gb接口單元（GBIU，Gb Interface Unit）實現物理實驗室環境安全監控的接口控制，得到信令和傳輸接口分布如圖7所示。

2.3? ?輸出接口模塊

物理實驗室環境安全監控系統的Um接口層和物理層，采用射頻接口總線傳輸控制方法，進行物理鏈路層分布設計，構建物理實驗室環境安全監控的邏輯傳輸信道，得到高速數據鏈路規程HDLC協議。采用TaskBasic.postTask（）命令返回物理實驗室環境安全監控的SUCCESS值，通過信源編碼設計，實現物理實驗室環境安全監控的事件驅動程序控制，構建輸出接口成像模塊[10]，得到輸出接口硬件配置如圖8所示。

構建物理實驗室環境安全監控系統的高頻率數據信息處理模塊，通過可編程的邏輯處理器，實現對物理實驗室環境安全監控和優化控制，利用FPGA 和CRIO 系統，實現物理實驗室環境安全監控系統的硬件設計。

3? ? ?系統軟件實現及仿真測試

設計物理實驗室環境安全監控系統的軟件開發平臺，在云數據信息處理平臺中，構建256KB閃存的CC2530F256控制協議，采用[ZigBee]協議棧（[Z-Stack]）進行輸出總線控制，設置系統的輸出分辨率為7至12位，采用串行的TWI存儲器引導物理實驗室環境安全監控的軟件程序，通過協調器串口與GPRS模塊實現網絡傳輸控制，并通過UART、定時器、GPIO等緩存器控制內核電壓，得到物理實驗室環境安全監控系統軟件實現流程，如圖9所示。

為了測試本文設計的物理實驗室環境安全監控系統的性能，測試系統的輸出穩定性和實時性，設定數據傳輸協議的基本格式見表1。根據表1的數據傳輸格式，測試不同迭代次數下監控平臺的數據誤差，得到的結果見表2。

由表2可知，本方法輸出誤差均低于0.005，較文獻[4]與文獻[6]提出的方法低，說明本方法的收斂性能較好，監控數據記錄性能有所提升。

4? ? ?結語

本文利用計算機、通信網絡以及物聯網技術，建立智能物理實驗室環境監控的嵌入式系統，提高了其環境監控和信息化管理能力。構建物理實驗室環境安全監控系統的信息處理器，采用集成DSP實現對環境安全監控系統的信息融合，通過可編程的邏輯處理器，實現對實驗室環境安全監控和優化控制，利用FPGA 和CRIO 系統，實現物理實驗室環境安全監控系統的硬件設計。本設計的系統輸出穩定性和可靠性較好、收斂誤差較小。

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