萬百會 魏 玲 鄧云琛 王國輝

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022）

0 引言

近年來，隨著我國高校教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校在校生的數(shù)量不斷增多，從而需要高校的實(shí)驗(yàn)室的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，使之成為培養(yǎng)高校優(yōu)秀畢業(yè)生重要組成部分。研發(fā)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提上日程，目前這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是利用傳感器組網(wǎng)完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的感測，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全的監(jiān)控、管理和控制。實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件是實(shí)驗(yàn)正常展開的最重要的保證之一，一般來說，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境主要包括溫度、濕度、光線、空氣凈化級別等等。通過/采集控制中心，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壞境條件可以適時(shí)的傳送到中央處理系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于系統(tǒng)設(shè)定最高溫時(shí)，中央處理系統(tǒng)會通過控制實(shí)驗(yàn)室的開關(guān)，自動(dòng)開啟制冷空調(diào)；當(dāng)濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的最低值時(shí)，中央處理系統(tǒng)將自動(dòng)開啟加濕器的開關(guān)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的光線暗于最低值時(shí)[1]，同樣，中央處理系統(tǒng)也可通過傳感器自動(dòng)打開實(shí)驗(yàn)室的燈光或窗簾等采光，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)安全問題時(shí)，如火災(zāi)，漏水，漏氣等，采集控制中心和中央處理系統(tǒng)的互動(dòng)將會在第一時(shí)間啟動(dòng)消防系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警功能，關(guān)閉有危險(xiǎn)的電力，水力等系統(tǒng)，將險(xiǎn)情在第一時(shí)間得到控制同時(shí)將實(shí)時(shí)信息反映在實(shí)驗(yàn)室管理人員的實(shí)時(shí)通訊設(shè)備例如移動(dòng)電話接口等。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由AT89S52及其總線結(jié)構(gòu)、鍵盤、LCD12864、5V 繼電器、聲光報(bào)警、ZigBee模塊、傳感器（包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外熱釋電模塊、光敏電阻小模塊）組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)通過微控制器采集溫濕度信號、光信號、煙霧信號以及輸出一些控制信號，并通過ZigBee通信模塊將采集的數(shù)據(jù)按照一定數(shù)據(jù)格式傳輸給管理PC機(jī)，在PC中對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集及處理、統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，這些節(jié)點(diǎn)自組織構(gòu)成的無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)將具備感測、控制、判斷、自恢復(fù)和多元通信等功能。系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同其他節(jié)點(diǎn)檢測實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息，并作出相應(yīng)的判斷和動(dòng)作，同時(shí)將信息通過ZigBee發(fā)送給管理者或者接受管理者的指令進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系信息無線傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的CC2430為核心的Zigbee控制模塊。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展[2]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)等三種角色。

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee的組網(wǎng)方式如圖2所示，系統(tǒng)中選用星型的組網(wǎng)方式。

圖2 ZigBee的組網(wǎng)方式

圖3 系統(tǒng)總體程序框圖

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程來看，可以將系統(tǒng)的運(yùn)行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數(shù)據(jù)采集模塊向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出控制命令，能對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備比如燈光、溫度、濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制。

在上傳處理時(shí)，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運(yùn)行時(shí)首先需要?jiǎng)?chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行配置，將現(xiàn)場的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；一旦接收到數(shù)據(jù)上傳命令，就將采集的信息上傳；網(wǎng)關(guān)在接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，一方面，需要對數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，及時(shí)將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)有效傳輸數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時(shí)，系統(tǒng)首先由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送允許控制命令，同時(shí)要將底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起來，一旦遠(yuǎn)程用戶控制中心通過控制界面對底層發(fā)送控制命令或呼叫命令，首先要檢測命令的正確性，然后，依據(jù)命令中的設(shè)備號查詢控制的設(shè)備名稱，當(dāng)這些設(shè)備都正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行現(xiàn)場的控制，系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

進(jìn)行實(shí)時(shí)、多元的檢測，實(shí)現(xiàn)了智能化無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控功能；充分利用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，保障了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提高提供了一個(gè)高效的實(shí)用平臺。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，系統(tǒng)測試的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際需求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行傳感器的擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)更多功能。

［1］李磊,林土勝,吳振強(qiáng).基于Zigbee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理,2011,28(1)：108-116.

［2］李文仲.Zigb ee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.