楊柏松 劉飛 陳金鵬 葉展鑫

（廣東石油化工學院計算機與電子信息學院）

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)*

楊柏松 劉飛 陳金鵬 葉展鑫

（廣東石油化工學院計算機與電子信息學院）

針對傳統(tǒng)實驗室人工管理智能化程度底等問題，提出一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器等對實驗室環(huán)境進行實時監(jiān)測；控制平臺通過傳感節(jié)點數(shù)據(jù)判斷實驗室環(huán)境是否適宜，同時可實現(xiàn)對多間實驗教學樓甚至整棟實驗教學設(shè)備的智能化控制。實際測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有省電、功耗低、通信可靠性高、數(shù)據(jù)安全、成本較低、網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，適用于大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應用于各大高校現(xiàn)代化實驗室。

ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；智能管理系統(tǒng)；智能控制；實時監(jiān)測

0 引言

針對上述實驗室管理現(xiàn)狀并結(jié)合我校的實際情況，提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)。它融合了計算機、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、自動控制、傳感等多種技術(shù)，涉及生態(tài)、環(huán)境、能源等多個領(lǐng)域，其實現(xiàn)基于策略的自動控制和信息交換，因此，該系統(tǒng)是綜合了信息流和控制流的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)實驗室封閉式的實驗教學管理模式，真正實現(xiàn)面向廣大師生全天候開放；合理利用資源，節(jié)能減排，提高實驗室設(shè)備和資源的利用率；解決實驗室人員雜、管理難度大等問題[9-10]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)首先利用溫濕度、光照強度、煙霧等ZigBee傳感節(jié)點檢測實驗室的不同區(qū)域，并獲得所需的環(huán)境參數(shù)；然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到實驗室數(shù)據(jù)中心，并在上位機和手機終端顯示當前參數(shù)；最后單片機通過數(shù)據(jù)分析和模糊控制,借助ZigBee終端節(jié)點對下屬的制冷模塊、燈光、溫度以及光強等執(zhí)行機構(gòu)進行模糊化調(diào)節(jié)。同時設(shè)置獨立的電子鎖門系統(tǒng)與實驗教學設(shè)備的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的容錯性，使系統(tǒng)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)失效時，仍然可以進行正常的實驗教學計劃。

圖1 基于ZigBee無 線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括傳感節(jié)點和控制節(jié)點的設(shè)計[11]。傳感節(jié)點主要實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的檢測；控制節(jié)點主要實現(xiàn)對環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和對實驗教學設(shè)備的自動化控制。

1) CC2530模塊[12-13]

系統(tǒng)無線傳感及控制節(jié)點的硬件以CC2530F256為核心。CC2530支持最新的ZigBee協(xié)議—ZigBee 2007/PRO，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，功耗低，節(jié)點通信距離較遠，組網(wǎng)性能穩(wěn)定可靠，相對于CC2430/CC2431性能更優(yōu)，價格更低。

圖2 ZigBee CC2530模塊

2) 隔離抗干擾設(shè)計

在130 ℃條件下分別進行帶殼、不帶殼烘焙10、20、30、40 min，種籽衣總黃酮含量測定結(jié)果如圖 2所示。與未烘焙種籽衣相比，種籽衣經(jīng)過不同條件烘焙后總黃酮含量呈現(xiàn)不同程度的損失，其中，帶殼焙烘焙種籽衣在20 min總黃酮含量較10 min略微上升后，繼續(xù)烘焙總黃酮含量又會下降；不帶殼烘焙的種籽衣總黃酮含量在10～30 min時間段呈現(xiàn)上升趨勢，隨后在40 min時降到最低。

在計算機控制系統(tǒng)的各個電路模塊之間；現(xiàn)場采集與計算機控制之間；弱電控制與強電控制之間常采用的隔離方式有變壓器隔離、繼電器隔離和光電隔離。本系統(tǒng)在動作節(jié)點與協(xié)調(diào)器的連接部分帶有繼電器組，以實現(xiàn)強電與弱電的隔離。

3) 溫濕度傳感模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其原理圖如圖3所示，。設(shè)置溫濕度傳感器數(shù)據(jù)接入接口為P0_7。DHT11通過檢測實驗室環(huán)境中的溫濕度，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee終端；ZigBee終端再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過串口與電腦PC機進行通訊，并在上位機對應窗口進行顯示。

圖3 DHT11原理圖

4) 光照傳感模塊

光照傳感模塊的原理圖如圖4所示。光照傳感模塊由光敏電阻和SRD-12VDC-SL-C繼電器組成，為符合實際設(shè)計需要，該系統(tǒng)對燈光的控制采取雙線控制原則，一方面當光照傳感模塊檢測到環(huán)境光線低于設(shè)置閥值時，繼電器吸合，燈光打開；另一方面通過PC端上位機界面或者手機終端界面進行燈光控制，上位機界面開燈、關(guān)燈按鈕通過控件與P0_5 IO口連接。當對按鈕進行操作時，P0_5 IO口自動產(chǎn)生高低電平，控制繼電器的吸合和斷開，實現(xiàn)燈光的開關(guān)控制。

圖4 光照傳感模塊原理圖

5) 煙霧傳感模塊

煙霧傳感模塊采用煙霧傳感器MQ-2檢測實驗室的煙霧濃度，煙霧傳感模塊的原理圖如圖5所示。當傳感器所處環(huán)境存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。設(shè)置煙霧傳感模塊的數(shù)據(jù)輸入口為P0_6 IO口。當煙霧傳感器檢測到實驗室空氣的煙霧濃度大于設(shè)定濃度時，煙霧傳感模塊給P0_6一個電平信號，將電平信號接到報警電路，即可以實現(xiàn)煙霧報警功能。

圖5 煙霧傳感模塊原理圖

3 軟件設(shè)計

ZigBee 技術(shù)是一種通信距離近、復雜度低、功耗低、成本低的全雙工無線通信技術(shù)。ZigBee 技術(shù)基于IEEE802.15.4[14]，屬于IEEE無限個人區(qū)域網(wǎng)工作組標準中的一項，稱為IEEE802.15.4（ZigBee）[15]技術(shù)標準。

1) 開發(fā)平臺與環(huán)境

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軟件開發(fā)以IAR為平臺，嵌入式IAR Embedded Workbench適用于8位、16位以及32位的微處理器和微控制器。該平臺為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標的支持，可有效提高用戶的工作效率。

2) ZigBee終端節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)ZigBee終端節(jié)點主要工作是申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，與ZigBee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)通訊。溫濕度、光照度等終端節(jié)點負責把傳感器的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器；風扇、電燈、窗簾、投影開關(guān)控制終端節(jié)點一方面負責接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的控制命令，另一方面把開關(guān)的狀態(tài)反饋給協(xié)調(diào)器。

3) ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器主要負責初始化CC2530F256及協(xié)議棧；把分布在實驗室的傳感器采集溫度、光照度等信息的傳感節(jié)點組建成ZigBee網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測ZigBee無線信號，如果有路由或終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，則給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址；接收網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過UART傳送給實驗室顯示控制終端；接收顯示終端發(fā)送過來的控制信息，對數(shù)據(jù)解析重組后發(fā)送給指定的ZigBee終端控制節(jié)點，協(xié)調(diào)器的工作流程如圖6所示。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

4) 系統(tǒng)上位機設(shè)計

系統(tǒng)上位機設(shè)計分為協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)到上位機的數(shù)據(jù)顯示和上位機的網(wǎng)絡(luò)連接和動作控制2部分。上位機示意圖如圖7所示。

圖7 上位機示意圖

其中顯示的數(shù)據(jù)來源于ZigBee終端傳感器，傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器利用VC++6.0的串口通訊功能將數(shù)據(jù)進行分類并顯示在指定窗口[16]；網(wǎng)絡(luò)連接和動作控制實現(xiàn)上位機到手機端和上位機到下位機之間的數(shù)據(jù)互動，上位機可以通過構(gòu)建局域網(wǎng)實現(xiàn)與手機端的數(shù)據(jù)共享，也可以通過按鈕的方式向下位機終端傳輸數(shù)字信號，接收到信號后終端利用繼電器等功能元件開啟或者關(guān)閉燈光，實現(xiàn)設(shè)備的遠距離控制。

4 實驗結(jié)果

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)利用多個無線傳感節(jié)點對實驗室環(huán)境參數(shù)（光照、溫度、濕度、煙霧等）進行檢測；通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示，并與事先設(shè)定好的環(huán)境理想?yún)?shù)進行對比；根據(jù)與理想?yún)?shù)的差距對環(huán)境進行模糊控制，使得教室環(huán)境自動調(diào)節(jié)到舒適指標。門禁教學設(shè)備的智能控制采用單片機系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)，首先設(shè)置教室密碼鎖，通過密碼驗證之后可以進入實驗室；其次設(shè)計一個主機、投影燈設(shè)備的控制面板，利用按鍵實現(xiàn)實驗教學設(shè)備的智能化控制，智能管理系統(tǒng)設(shè)計模型圖如圖8所示。

上位機測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 上位機測試數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可以準確檢測實驗室的環(huán)境參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到上位機，從而使單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理，做到相應調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)成本造價如表2所示。

表2 系統(tǒng)成本造價

由表2可知，在傳統(tǒng)實驗室的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)只需要千元左右就可以實現(xiàn)實驗室的智能控制，經(jīng)濟實用，易于接受。

實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有省電、可靠性高、數(shù)據(jù)安全、成本較低的特點，適用于大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應用于各大高?，F(xiàn)代化實驗室。

圖8 系統(tǒng)設(shè)計模型圖

5 結(jié)語

針對我校實驗室自動化管理程度不高，實驗室人員雜、資源浪費、管理難度大等問題，設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能管理系統(tǒng)。通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee

協(xié)調(diào)器與實驗室中控平臺相連接，進行數(shù)據(jù)分析、顯示分析從傳感器傳來的數(shù)據(jù)；然后通過ZigBee協(xié)調(diào)器將信息反饋到控制節(jié)點，進而調(diào)節(jié)實驗室的環(huán)境以及相對應的各項指標，以保證實驗室的環(huán)境和各項指標在的理想狀態(tài)下，從而解決了實驗室自動化管理程度不高問題；同時基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室管理系統(tǒng)可擴展性能好，不但可以應用在一間實驗室，還可拓展到多間實驗室甚至整棟實驗樓。由于系統(tǒng)使用了煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器等，在測取煙霧、溫濕度、光強等方面有一定延遲局限性，需要進一步研究，減少延遲誤差局限性。

[1] 王江峰.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)[D].濟南:濟南大學,2010:5-20.

[2] 戴由旺.基于ZigBee的無線智能傳感節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學,2008:6-25.

[3] 雷梁.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].成都:西華大學,2009:8-23.

[4] 徐向藝,王建璽.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能教學系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用,2015,24(7):63-68.

[5] 史兵,趙德安,劉星橋,等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(9):136-140.

[6] 徐子豪,張騰飛.基于語音識別和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2012,20(1):180-182.

[7] 張玉亮,蘇宇,李嘉偉,等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(6):28-31.

[8] 雷梁.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].成都:西華大學,2009:10-11.

[9] Ni Lionel M, Liu Yunhao, Zhu Yanmin. China’s national research project on wirelesssensornetworks [J]. IEEE Wireless Communications, 2007, 14(6): 78-83.

[10] Hussain S, Ikram M J, Arshad N. A low cost implementation of home area networks forhome energy management systems[C]. 2014 IEEE Fourth International Conference on Big Data and Cloud Computing, 2014: 688-695.

[11] 張雁琳.基于Arduino的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京工業(yè)大學,2015:46-47.

[12] CC2530[EB/OL].(2010－10－05)[2011－12－11]http://www.ti.com.cn.

[13] 劉輝,趙麗芬,孫番典,等.基于CC2530的 ZigBee 射頻收發(fā)模塊設(shè)計[J].云南民族大學學報(自然科學版),2012,21(6): 452-456.

[14] IEEE std.802.15.4-2003:Wirelessmedium access control (MAC) and physical layer(PHY) specifications for low rate wireless personal area networks(LR-WPANs)[S]. 2003.

[15] 王波,李文田,梅倩.滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機應用,2012,32(7):1831-1835.

[16] 錢能.C++程序設(shè)計教程[M].北京:清華大學出版社,1999.

Intelligent Laboratory Management System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

Yang Baisong Liu Fei Chen Jinpeng Ye Zhanxin
(College of Computer & Electronic Information Guangdong, University of Petrochemical Technology, School of Computer and Electronic Information, Maoming)

In order to solve the problem of the artificial intelligence level of the traditional laboratory, a laboratory intelligent management system based on ZigBee wireless sensor network is proposed.The system through the temperature and humidity sensor, smoke sensor, light sensors for real-time monitoring of the laboratory environment; Control platform through the sensor data to determine whether a lab environment is appropriate, at the same time it can realize the experiment between the building and even more intelligent control of the experimental teaching equipment. Actual test results show that the system has a power saving, low power consumption, high reliability, data security, the characteristics of low cost, large network capacity, suitable for large-scale wireless sensor networks, which can be widely applied in modern laboratory at universities.

ZigBee; Wireless Sensor Network; Intelligent Management System; Intelligent Control; Real Time Monitoring

楊柏松，男，1970年生，碩士研究生，實驗師，主要研究方向：電力電子及運動控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)。E-mail: ybc2668@163.com

茂名市石油化工自動化工程技術(shù)研究中心創(chuàng)強項目（660016）