汪雷

摘 要：建筑物具有房間多、范圍廣的特點。為了方便用戶能夠直觀的了解室內(nèi)環(huán)境信息，系統(tǒng)設(shè)計了地圖管理模塊。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，傳感器采集室內(nèi)環(huán)境的信息通過無線的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到終端節(jié)點，終端節(jié)點通過串口把數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，再進行數(shù)據(jù)的分析。給出了系統(tǒng)的功能設(shè)計，數(shù)據(jù)庫設(shè)計，軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：X830.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2018）02-0014-06

隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們對于學(xué)習(xí)、生活環(huán)境的安全性、舒適性要求日益增長，尤其是對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的更是嚴格。在日常生活中，通常要求一個溫度適宜的環(huán)境。因此，有必要了解室內(nèi)的實時溫度、濕度、煤氣的濃度，以便于進行一定調(diào)節(jié)。從而減少由于環(huán)境因素的超標對人體造成的傷害。傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所需的設(shè)備較多，布線復(fù)雜，可靠性低，抗干擾能力差，日常管理和維護的費用高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以解決這個問題。

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，是通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，是近年來發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)。ZigBee 技術(shù)以其低功耗、易組網(wǎng)、低成本、短時延、高容量、高安全等優(yōu)點在智能家居應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注?；诖吮疚脑O(shè)計了運用ZigBee技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心和Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通常由三個節(jié)點構(gòu)成： 協(xié)調(diào)器（ Coordinator）節(jié)點、路由器 （ Router）節(jié)點、傳感器（ End Device）節(jié)點。[1]協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動、配置和管理。路由器節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理。傳感器節(jié)點實現(xiàn)了環(huán)境信息的感知和收集然后通過路由節(jié)點以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，ZigBee 協(xié)調(diào)器 在系統(tǒng)中起通信媒介的作用，主要負責(zé)控制中心與各子系統(tǒng)之間的通信，負責(zé)將數(shù)據(jù)上報給監(jiān)測中心。[2]監(jiān)測中心就是一臺PC機，用來顯示、分析檢測到的數(shù)據(jù)。本文主要討論數(shù)據(jù)的采集和分析。

系統(tǒng)以學(xué)校的教學(xué)樓為對象，根據(jù)實際需求，對于監(jiān)控系統(tǒng)有如下要求：系統(tǒng)的權(quán)限分為管理員和普通用戶。

（1）監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r的、可靠地顯示當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境信息。管理員和普通用戶在PC機上都能夠?qū)崟r的看到數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以通過表格、趨勢圖的形式呈現(xiàn)給用戶。

（2）管理員能夠在PC機上設(shè)定參數(shù)，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)高于這個設(shè)定的參數(shù)，能夠報警提醒用戶，以便用戶采取相應(yīng)的措施。

（3）管理員可以在系統(tǒng)中管理傳感器節(jié)點和地圖，調(diào)節(jié)傳感器在相應(yīng)地圖中的位置，以便用戶根據(jù)地圖就能知道實際在地圖中相應(yīng)位置的參數(shù)。

（4）管理員能夠?qū)崿F(xiàn)對于系統(tǒng)的日常維護，包括數(shù)據(jù)的刪除、修改和備份。 根據(jù)上述要求，系統(tǒng)分成六個模塊，如圖2所示，即用戶管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報警模塊。下面對六個模塊進行詳細設(shè)計。

2 詳細設(shè)計

2.1 用戶管理模塊

系統(tǒng)的權(quán)限分為普通用戶和管理員。模塊功能圖如3所示，用戶登陸系統(tǒng)時需要輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)通過查詢比較數(shù)據(jù)中的用戶名和密碼，若一致則通過，并且獲得相應(yīng)的權(quán)限，否則出現(xiàn)錯誤提示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊 控 制 核 心 和 ZigBee 終 端， 同 時， 選 用 帶有 ZigBee 功 能 的 CC2530 無 線 通 信 芯 片。[3]CC2530集成了時鐘電路，MCU接口電路，射頻輸入/輸出匹配電路為一體。將傳感器節(jié)點安放任意位置，則構(gòu)成一個廣泛的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)對于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測主要有室內(nèi)的溫度、濕度、煤氣的濃度，默認的情況下是隔兩秒中采集一次。采集信息的終端節(jié)點和PC機是通RS-232相連。以溫濕度傳感器為例說明傳感器結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，考慮到數(shù)據(jù)庫要利于開發(fā)和管理，系統(tǒng)選用了SQL server作為后臺數(shù)據(jù)庫。SQL Server 是一個關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，能夠?qū)τ趹?yīng)用關(guān)系有很好的映射，同時，它也是一個企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫，可以容納海量數(shù)據(jù)，有界面直觀和使用廣泛的優(yōu)點。[4]根據(jù)要求設(shè)計了一個Temper數(shù)據(jù)庫，含4個表，如表1-表5所示。

user是系統(tǒng)用戶的管理表，記錄了所有用戶的用戶名，密碼，權(quán)限和登陸次數(shù)。其中所有的字段都不能為空，用戶名為該表的主鍵。

SUM是系統(tǒng)的信息匯總表，記錄了所有樓的基本信息，包括樓的名字，這棟樓的層數(shù)和存儲這棟樓的信息表格的名稱。其中所有的字段都不能為空，“名稱”為該表的主鍵。

Table1～3是記錄每個節(jié)點的基本信息，每個表的數(shù)量與節(jié)點數(shù)量相等，字段都相同。由于這里只有三個節(jié)點所以建了三張數(shù)據(jù)表。其中所有的字段都不能為空，地址為該表的外鍵。

Ttable是每棟樓的信息匯總表，記錄了在該棟樓里放置節(jié)點的所有地址和存儲節(jié)點信息的表的名字。表的數(shù)量與樓的數(shù)量相等。該表中所有的字段都不能為空，“地址”為外鍵。

2.4 數(shù)據(jù)查詢

為了方便的分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計了歷史數(shù)據(jù)的查詢。數(shù)據(jù)分為以趨勢圖顯示和表格顯示，查詢分為根據(jù)地址查詢、根據(jù)檢測到的信息類別查詢和根據(jù)時間查詢。若所輸入的查詢條件在數(shù)據(jù)庫中無法找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)點，則出現(xiàn)“模塊沒有檢測該時間點的溫度”字樣，這就需要從新返回輸入查找條件。

（1）根據(jù)地址查詢。管理員需要查詢數(shù)據(jù)必須首先選擇需要查詢的地址。如果需要更方便的分析數(shù)據(jù)則需要選擇檢測信息類別和時間段。

（2）根據(jù)檢測信息類別查詢。 系統(tǒng)檢測到的信息種類分為溫度、濕度、煤氣的濃度。用戶根據(jù)需要進行選擇。

（3）根據(jù)時間查詢。數(shù)據(jù)查詢的模式是年月日，時分秒，根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)的格式來查找數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)設(shè)置

本系統(tǒng)的特色在于系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)設(shè)置包括地址管理，地圖管理和節(jié)點管理。管理員可以根據(jù)需要添加、刪除、修改地址即對數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的表操作。地址包括每棟樓的名稱，每棟樓的樓層，放置節(jié)點的房間編號。

地圖管理為用戶根據(jù)地址在系統(tǒng)中導(dǎo)入已經(jīng)存在的地圖，目前系統(tǒng)中可以導(dǎo)入地圖的格式為常用的圖片格式.gif，.jgp，.bmp。如果地圖較為簡單，管理員可以自己繪制示意圖，繪制完成后管理員可以選擇保存地圖或者插入到系統(tǒng)中去，保存的格式也為.gif，.jgp，.bmp格式。管理員繪制地圖為在畫圖板中繪制，操作方法與普通的繪圖板一致，在繪制的時候只需選擇需要的元素。該繪圖板的原理為，對繪制地圖常用的形狀顏色，線條的粗細做了封裝。

節(jié)點管理就是管理員根據(jù)傳感器節(jié)點的實際位置在地圖相應(yīng)的位置中插入一個熱點。為了便于用戶識別，熱點的名稱就為放置節(jié)點的房間號和傳感器類型（溫度、濕度、煤氣的濃度），用戶在靠近這個熱點時，提醒用戶附近有可用的熱點，點擊這個熱點就可以查看這個節(jié)點采集到的信息。

2.6 報警模塊設(shè)計

系統(tǒng)的報警主要是通過軟件來實現(xiàn)的，主要完成的功能為用戶輸入一個閾值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出閾值則該節(jié)點處的蜂鳴器報警且在該地圖相應(yīng)位置的熱點閃爍，提醒用戶直至采集到的參數(shù)低于閾值，蜂鳴器停止，同時，停止閃爍。

3 系統(tǒng)測試

下面是系統(tǒng)的測試，針對完成的設(shè)計進行系統(tǒng)測試和結(jié)果顯示，使本套系統(tǒng)更直觀地展現(xiàn)在用戶面前。

（1）用戶通過輸入用戶名、密碼和正確的驗證碼登陸到主界面，也可以通過選擇添加用戶進入用戶添加頁面。

（2）添加用戶是在系統(tǒng)中創(chuàng)建使用溫度檢測系統(tǒng)的用戶，包括用戶的名稱，用戶角色，密碼。

（3）用戶登陸后，進入主頁。主頁主要是起導(dǎo)航的作用。這里用Admin的賬號登陸，看到如圖5的主頁。上面的菜單分為三欄分別為設(shè)置、查詢和退出。設(shè)置菜單主要是為管理員提供地圖管理、地址管理、繪制地圖和數(shù)據(jù)備份操作。查詢菜單主要為用戶提供數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)查詢、即時

數(shù)據(jù)查詢操作。退出菜單就是退出整個系統(tǒng)。左側(cè)是整個系統(tǒng)的地址分布。用戶雙擊地址，則頁面顯示相應(yīng)的地圖。在地圖上可以看到該區(qū)域的溫度變化情況。如果管理員在系統(tǒng)中沒有插入地圖，則顯示的是空白區(qū)域。這里管理員先進入了地圖管理模塊。

（4）圖6為地圖管理模塊。系統(tǒng)的地圖管理用于管理員在系統(tǒng)中插入地圖和節(jié)點。管理員在右側(cè)的地址中選擇插入相應(yīng)的地圖，然后在地圖的相應(yīng)位置插入節(jié)點。若是該地址有相應(yīng)的地圖，則右邊該地址顯示為藍色，若該地址有節(jié)點，則右邊該地址顯示為黃色。這次測試中在系統(tǒng)中插入相應(yīng)的地圖和節(jié)點。

（5）圖7是數(shù)據(jù)查詢頁面。數(shù)據(jù)查詢是為用戶提供查詢歷史數(shù)據(jù)，用戶選擇數(shù)據(jù)查詢，則數(shù)據(jù)以表格的形式呈現(xiàn)。選擇數(shù)據(jù)圖像，則數(shù)據(jù)以曲線圖的形式呈現(xiàn)，用戶可以清楚的看到溫度變化的趨勢。用戶在查詢數(shù)據(jù)前，必須要選擇地址。

（6）圖8是即時數(shù)據(jù)查看。是為用戶提供查詢節(jié)點此時采集到的數(shù)據(jù)，以曲線圖的形式呈現(xiàn)。用戶可以清楚的看見溫度變化的趨勢。上面的菜單分為三欄分別為設(shè)置、查詢和退出。設(shè)置為設(shè)置系統(tǒng)的采樣時間，串口。保存為保存趨勢圖，供用戶分析。

（7）圖9是繪制地圖界面。管理員繪制地圖的方法與普通繪圖板的方法一致，管理員選擇需要的圖形和顏色，在白色的區(qū)域進行繪制。這里我們僅僅畫了一個示意圖。

（8）刪除數(shù)據(jù)是用戶把不需要的數(shù)據(jù)刪除，用戶需檢索到需要刪除的數(shù)據(jù)，然后刪除如圖10。若需要恢復(fù)則通過找回數(shù)據(jù)恢復(fù)。

對于數(shù)據(jù)庫的維護有數(shù)據(jù)庫備份和找回數(shù)據(jù)。備份數(shù)據(jù)是管理員在主機上選擇合適的路徑對于重要的數(shù)據(jù)備份，備份數(shù)據(jù)能夠在數(shù)據(jù)丟失的情況下，恢復(fù)重要的數(shù)據(jù)，如圖11。找回數(shù)據(jù)主要是對于用戶刪除的數(shù)據(jù)做一個管理，如圖12。如果用戶需要找回已經(jīng)被刪除的數(shù)據(jù)，則可以選擇還原。如果管理員確定刪除數(shù)據(jù)，則選擇徹底刪除。

系統(tǒng)是以頁面的展示位核心，以上是對系統(tǒng)的主要幾個模塊的描述。

4 結(jié)語

基于Zigbee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過CC2530實時的傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試該系統(tǒng)能夠滿足對于環(huán)境監(jiān)測的要求，采集到的信息符合實際情況。該系統(tǒng)具有成本低、效率好、實時性好等特點。但是系統(tǒng)在以下方面有待提高。

（1）提高溫度檢測的精度。 溫度很容易受外界影響，如果系統(tǒng)長時間使用將導(dǎo)致硬件散熱不及時，可能導(dǎo)致傳感器檢測到的溫度不精確。所以如何精確地檢測溫度，減少硬件的干擾是我們需要解決的。

（2）節(jié)點增多時系統(tǒng)能夠順暢。 本系統(tǒng)的節(jié)點比較少，所以不存在節(jié)點的協(xié)調(diào)問題。但如果有成百上千的節(jié)點，就存在節(jié)點的沖突問題。所以如何協(xié)調(diào)好個節(jié)點間的協(xié)調(diào)問題，有待進一步解決。

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A Study on the Monitoring System for Indoor Environment Based on Zigbee

WANG Lei

（Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade， Huainan 232007， China）

Abstract： The complex structure has many rooms and covers a wide range. A map management module is designed to facilitate the users to understand the indoor environment information directly. The environmental monitoring system consists of the monitoring center and the sensor network， the sensor collects the indoor environment information and sends data to the terminal node through the wireless mode， the terminal node transmits data to the monitoring center through the serial port and then carries out data analysis. This paper is to give the function design， database design and software design of the system.

Key words： wireless sensor； monitoring system； database

責(zé)任編輯 張志釗