劉文藝， 劉立群, 單夢晨， 張 昱

(江蘇師范大學(xué) 機電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

·實驗室建設(shè)與科學(xué)管理·

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實驗室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉文藝， 劉立群, 單夢晨， 張 昱

(江蘇師范大學(xué) 機電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

介紹了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的實驗室智能無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個ZigBee無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點及一個ZigBee協(xié)調(diào)器組成。ZigBee無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點接收溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器、繼電器、火焰?zhèn)鞲衅?、光敏傳感器等采集的?shù)據(jù)，并實現(xiàn)無線發(fā)送。ZigBee協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)接收，并通過RS232與監(jiān)控上位機實現(xiàn)連接，將數(shù)據(jù)傳給上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析與處理。系統(tǒng)采用Labview作為上位機的開發(fā)環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)布點及監(jiān)控實驗，證明了本系統(tǒng)可以有效地對實驗室安全進行智能監(jiān)控。

實驗室監(jiān)控； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 智能監(jiān)控； 實驗室安全

0 引 言

隨著實驗室在高校教學(xué)和科研中發(fā)揮著重要的作用，越來越多的研究者開始關(guān)注實驗室的安全與運行問題[1-2]?，F(xiàn)有的實驗室安全主要依靠實驗人員負責(zé)管理，容易造成實驗人員負擔(dān)過重、力不從心。國內(nèi)外許多研究者開始開發(fā)針對實驗室安全的監(jiān)測系統(tǒng)，以期維護實驗室安全，保障實驗室的安全運行[3-4]。如針對實驗室水管網(wǎng)絡(luò)腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)方案[5]，針對實驗室二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)方案[6]，多波長實驗室植被監(jiān)測系統(tǒng)[7]等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，許多開發(fā)的實驗室監(jiān)測系統(tǒng)開始借助于互聯(lián)網(wǎng)平臺，利用GPRS無線通信技術(shù)，與Internet建立連接，實現(xiàn)對實驗室的智能監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集[8-11]。也有研究者開發(fā)基于手機系統(tǒng)的部分監(jiān)控平臺[12-13]。這些新技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用，對促進實驗室安全運行，起到了重要作用。但這些基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，多依靠上位端操作者控制，對于一些一般性故障和急發(fā)性故障，不易實現(xiàn)智能化與實時化。

新興的ZigBee技術(shù)在近距離無線傳輸通信中有著低功耗、高穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于實驗室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用[14-15]。通過ZigBee無線通信技術(shù)對實驗室進行監(jiān)控與操作，不僅能較視頻監(jiān)控采集更豐富的數(shù)據(jù)，并且相對于GPRS更有效率，且維護成本更低?；赯igBee無線傳輸技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，還可以在上位機實現(xiàn)智能控制，對一些簡單的故障，不需請示操作者，即可直接發(fā)送指令，維護實驗室安全。對于一些緊急情況，也可以按照事先設(shè)定的程序運行安全措施，實時性更高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

論文設(shè)計了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的實驗室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多個ZigBee無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點以及一個ZigBee協(xié)調(diào)器組成。其中，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點與溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器、繼電器、火焰?zhèn)鞲衅?、光敏傳感器等連接，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與無線發(fā)送，而ZigBee協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)接收，并通過RS232與計算機實現(xiàn)連接，將數(shù)據(jù)傳給上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析與儲存。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

該監(jiān)控系統(tǒng)主要由直接連接傳感器的ZigBee節(jié)點和上位協(xié)調(diào)器組成。上位機通過對協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)輸?shù)男盘栠M行分析處理，實時性地做出相關(guān)控制命令。

1.1 無線技術(shù)的選用

ZigBee是一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)定義了一種低速率無線近距離個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，包括了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層以及應(yīng)用程序支持子層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，并由IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層，從而組成了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。

針對不同的應(yīng)用場合，有多種無線傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以選擇，除了ZigBee以外主要還有WIFI、藍牙等，表1列舉他們各自的技術(shù)特性。

表1 現(xiàn)有無線傳輸技術(shù)及其特點

根據(jù)實驗室監(jiān)控的特點，對于多節(jié)點布控、低功耗、小體積有著較高的要求，而監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸量較小，并且對于傳輸速度并無過高要求，相比之下ZigBee技術(shù)更加的符合應(yīng)用需求。

1.2 無線安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點有3種邏輯設(shè)備類型，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。這3種設(shè)備類型又可以組成不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，每種網(wǎng)絡(luò)拓撲中必須有并且僅有一個協(xié)調(diào)器，最常用的有星型網(wǎng)和樹簇狀網(wǎng)。其中星型網(wǎng)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成，樹簇狀網(wǎng)由一個協(xié)調(diào)器、多個路由器、多個終端節(jié)點組成。圖2展示了ZigBee應(yīng)用時的幾種典型拓撲結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實驗室監(jiān)控需求，論文系統(tǒng)設(shè)計采用了星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，由一個協(xié)調(diào)器連接計算機，多個終端節(jié)點連接傳感器和繼電器組成。在某實驗室的幾個關(guān)鍵位置布置了相關(guān)的ZigBee無線節(jié)點，該實驗室監(jiān)控節(jié)點分布如圖3所示。

如圖3所示，A、B、C、D 4處設(shè)置了4個ZigBee無線節(jié)點，用于獲取附屬傳感器的相關(guān)信息。具體的關(guān)鍵節(jié)點連接中，節(jié)點1連接了一個溫濕度傳感器、一個火焰?zhèn)鞲衅?、一個光敏傳感器；節(jié)點2連接了一個溫濕度傳根器、一個煙霧傳感器、一個人體紅外線傳感器；節(jié)點3連接了一個繼電器，從而實現(xiàn)了對一個簡單串聯(lián)電路的無線控制。部分節(jié)點實物如圖4所示。

圖3 實驗室無線監(jiān)控系統(tǒng)場景示意圖

圖4 部分節(jié)點實物圖

其中，節(jié)點3實現(xiàn)了對一個串聯(lián)電路的無線控制，在本設(shè)計中在此串聯(lián)電路上設(shè)置了一個建議制冷裝置。其的控制方式有兩種：① 人工控制，即直接通過上位機發(fā)出指令，閉合繼電器，實現(xiàn)裝置啟動；② 自動控制，即根據(jù)節(jié)點所反饋的溫度信息，經(jīng)上位機判斷，當(dāng)達到閾值后自動閉合繼電器。

1.3 上位機的設(shè)計

在本設(shè)計中采用了Labview作為上位機的開發(fā)環(huán)境。Labview是一種圖形化的編程語言，又稱為“G”語言。Labview用圖像化或流程化的語言取代了傳統(tǒng)的C、C++、VB等的字符化的編程方式，不僅提高了編程效率和可讀性，并且在各種特殊領(lǐng)域中更加易于實現(xiàn)拓展。

Labview程序的編寫主要分為前面板和程序框圖兩個部分。前面板實現(xiàn)了系統(tǒng)界面的顯示與操作；程序框圖則實現(xiàn)了圖形化程序的編寫。

上位機的程序框圖主要使用了VISA函數(shù)，實現(xiàn)了對串口數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送?；玖鞒淌牵菏紫韧ㄟ^“VISA配置串口”函數(shù)對串口進行配置，設(shè)置串口號為COM5，波特率為115 200；其次使用“VISA讀取”或“VISA寫入”函數(shù)對數(shù)據(jù)進行操作；最后使用“VISA關(guān)閉”函數(shù)結(jié)束串口操作。串口寫入案例見圖5。

上位機的前面板使用了Tab控件，實現(xiàn)了分欄顯示。第一欄主要用于串口配置選擇、傳感器的實時數(shù)據(jù)顯示、繼電器電路控制操作以及數(shù)據(jù)保存；第二欄則顯示了節(jié)點1與節(jié)點2的溫濕度數(shù)據(jù)的波形圖。

圖5 串口操作程序截圖

2 無線網(wǎng)絡(luò)通信的建立

ZigBee無線傳輸有3種模式，分別是單播、組播和廣播。在本設(shè)計中，各個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送以單播模式發(fā)送，傳至協(xié)調(diào)器；而協(xié)調(diào)器則以廣播發(fā)送指令，并且協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令是由上位機通過串口透傳發(fā)送。

2.1 ZigBee協(xié)議棧

Z-Stack為ZigBee的協(xié)議棧，他是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，任何兩個設(shè)備在進行通信時雙方都需要按照這一標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。本設(shè)計對Z-Stack進行開發(fā)有如下特點：

(1) 用戶無需對Z-Stack有十分深入的研究，只需要熟悉其初始化及調(diào)用的流程即可，大部分開發(fā)可在應(yīng)用層進行。如在本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集部分的操作中，主要內(nèi)容是在應(yīng)用層加入對傳感器的讀取函數(shù)，之后在調(diào)用發(fā)送函數(shù)。

(2) 在協(xié)議棧中觸發(fā)函數(shù)時，主要有兩種類型：中斷觸發(fā)和定時觸發(fā)。而考慮到節(jié)能以及效率，可用定時觸發(fā)方式使終端節(jié)點喚醒，從而自動的對溫濕度數(shù)據(jù)、實驗室狀況進行采集與分析。

在協(xié)議棧中應(yīng)用任務(wù)程序在Zstack中的調(diào)用過程：為main()--->osal_init_system()--->osalInitTasks()--->SerialApp_Init()。其中osal_init_system()是初始化操作系統(tǒng)，并且一旦執(zhí)行便不再返回；osalInitTasks()是任務(wù)初始化，在此函數(shù)中為系統(tǒng)的各個任務(wù)分配儲存空間，并為各個任務(wù)分配taskID，即每個任務(wù)唯一的序列號；SerialApp_Init()為應(yīng)用初始化，在該函數(shù)中對個開發(fā)板上的IO進行配置。

2.2 節(jié)點任務(wù)事件的觸發(fā)

在應(yīng)用層使事件觸發(fā)主要在函SerialApp_ProcessEvent()中進行。在這個函數(shù)中，首先會檢索是否有系統(tǒng)事件發(fā)生，沒有就返回NULL。若發(fā)生系統(tǒng)事件，則該函數(shù)通過case函數(shù)進一步細分事件。如，當(dāng)AF_INCOMING_MSG_CMD被置1，則說明該設(shè)備收到了空中傳來的信號，于是調(diào)用SerialApp_ProcessMSGCmd()函數(shù)——消息處理函數(shù)，來對收到的信息進行接收分析。在本設(shè)計中，編程設(shè)定了：發(fā)生系統(tǒng)事件時，若設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)發(fā)生，首先調(diào)用SerialApp_DeviceConnect()函數(shù)使終端節(jié)點與路由器向協(xié)調(diào)器建立連接；其次，在終端節(jié)點設(shè)備上利用定時器觸發(fā)一個周期函數(shù)發(fā)送事件，使函數(shù)SampleApp_Send_P2P_Message()得以被調(diào)用。在SampleApp_Send_P2P_Message()函數(shù)中，實現(xiàn)了對溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯鹊淖x取，并在整合后將消息發(fā)送。

水庫流域涉及太谷、榆社、祁縣三縣地域，農(nóng)田種植施用化肥、農(nóng)藥，養(yǎng)殖牲畜排放糞便、堆放存儲垃圾、污染物，易對水體造成污染。

數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)的定義為：

AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,

uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,

uint8 options, uint8 radius )

其中*dstAddr定義了發(fā)送目的地址、端點地址和傳送模式，*srcEP定義了對終端的描述，cID指集群號，Len指發(fā)送數(shù)據(jù)長度，*buf指向了發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，*transID為任務(wù)ID號，Options是有效位掩碼的發(fā)送選項，Radius為傳送跳數(shù)。

2.3 指令的串口透傳

3 系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試

在本設(shè)計中，協(xié)調(diào)器直接與計算機連接，故用電由計算機端口提供。3個終端節(jié)點則由3.3V的電源供電。通電后各設(shè)備上的3個LED指示燈亮起表示組網(wǎng)成功，可在監(jiān)控系統(tǒng)中打開串口，即可查看實時數(shù)據(jù)，運行界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)上位機運行界面圖

當(dāng)節(jié)點2所采集的溫度數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值35 ℃時，繼電器電路自動閉合；或者由系統(tǒng)界面上制冷開關(guān)鍵手動啟動。繼電器手動閉合的上位機程序框圖如圖7所示。

圖7 繼電器電路控制程序

經(jīng)調(diào)試運行，該系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)設(shè)計功能。對于溫度、濕度、火焰等測試觸發(fā)信號識別準(zhǔn)確，觸發(fā)靈敏，反應(yīng)迅速，示警良好，可以較好地監(jiān)測和維護實驗室安全運行。

4 結(jié) 語

ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)作為一種新興技術(shù)，在許多場合中都有著很大潛力。論文設(shè)計系統(tǒng)在實驗室監(jiān)控中成功運用，展示了這種技術(shù)的高效率與高穩(wěn)定性，并且基于Labview的上位機設(shè)計使得監(jiān)控系統(tǒng)的智能更加易于實現(xiàn)，在提高可讀性、易用性的同時也保證了程序?qū)Ω黝愒O(shè)備的適用性，方便了系統(tǒng)的拓展。

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Design of an Intelligent Laboratory Monitoring Control System Based on Wireless Sensor Network

LIUWenyi,LIULiqun,SHANMengchen,ZHANGYu

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

An intelligent laboratory monitoring control system is designed based on ZigBee wireless communication technique. This system consists of ZigBee wireless data collection nodes and a coordinator. Signals from the sensors can be collected and transferred wirelessly by the ZigBee wireless nodes which contain temperature sensor, hygrometer, smoke transducer, human infrared sensor, relay, flame sensor, photosensitive sensor, etc. The function of the ZigBee coordinator is to receive the data sent by nodes and connect to the upper computer. The data are transferred into the upper computer, and then analyzed and displayed. The development environment of the upper computer is the LabView software. The network used in authors' laboratory proved the effectiveness and feasibility of the proposed intelligent laboratory monitoring control system.

laboratory monitoring; wireless sensor network; intelligent monitoring; laboratory safety

2016-10-18

國家自然科學(xué)基金(51505202)；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃(BK20140238)；江蘇省高校實驗室研究會研究課題(2015)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項目(201510320088Y)

劉文藝(1984-)，男，河南永城人，博士，副教授，研究方向為無線智能監(jiān)控，機械故障診斷。

Tel.：15262193230； E-mail: liuwenyi1984@126.com

TP 391; G 482

A

1006-7167(2017)06-0259-04