鄭安豫，周銳，張雅雯，楊春玲

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力系，安徽 合肥 230051))

0　引　言

隨著教學(xué)方法的發(fā)展與改革，在授課與科研中，實驗室所發(fā)揮的作用越來越重要.隨著科技的發(fā)展，各種精密與高端設(shè)備也逐漸進(jìn)入高校實驗室.精密設(shè)備價格昂貴的同時，往往對環(huán)境有特殊要求，傳統(tǒng)的實驗室管理已經(jīng)逐漸無法適應(yīng)實驗室的發(fā)展與應(yīng)用.保證實驗室的正常運(yùn)行，保證實驗室儀器的正常保養(yǎng)與維護(hù)成為實驗室的重要課題.實驗室的發(fā)展迫切需要一種合理而有效的系統(tǒng)來實時監(jiān)控實驗室環(huán)境，并在異常情況發(fā)生時立即介入，發(fā)生后能夠追尋時間發(fā)生的源頭，從而持續(xù)改善實驗室管理方法[1-3].

本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗室安防系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計具有功耗低，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點.通過Zigbee網(wǎng)關(guān)[4-6]，將各種傳感器組建成高效的無線傳感網(wǎng)絡(luò).實時收集各種傳感器測量的數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至日志服務(wù)器以備查詢，實驗室管理者可以通過各種終端查詢實驗室狀態(tài)數(shù)據(jù).當(dāng)有異常狀態(tài)發(fā)生時，如溫濕度異常、煙霧等需要人為干預(yù)的狀態(tài)時，能夠立即觸發(fā)報警至管理者的手機(jī).系統(tǒng)實現(xiàn)了很好的開放性，能夠根據(jù)需要添加/移除傳感器，具有良好的擴(kuò)展性與移植性.

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1　基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)協(xié)議.具有低成本、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率等特點，適合于自動控制與遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域.

圖1　ZigBee星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee具有強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，支持星狀拓?fù)?、樹狀拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)狀拓?fù)洌瑢嶋H應(yīng)用中可以根據(jù)實際需求選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).本系統(tǒng)中使用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用了星狀拓?fù)?，星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通常由協(xié)調(diào)器節(jié)點、傳感器節(jié)點構(gòu)成，星狀拓?fù)淙鐖D1所示.

1.2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計中以星狀拓?fù)錇槟Ｐ?，由一個協(xié)調(diào)器與若干傳感器組建成無線傳感網(wǎng)絡(luò).系統(tǒng)運(yùn)行時，由各個傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)檢測，將參數(shù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器.日志服務(wù)器通過串行口通信協(xié)議訪問協(xié)調(diào)器，獲取檢測到的參數(shù).將參數(shù)存儲至日志數(shù)據(jù)庫.Web服務(wù)器訪問日志服務(wù)器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通Web程序[7]對外公開，如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計

管理者通過Web頁面訪問傳感器收集的實時信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程24 h對實驗室各項數(shù)據(jù)實時掌握.當(dāng)有異常數(shù)據(jù)發(fā)生時，能夠?qū)缶瘮?shù)據(jù)發(fā)送至管理者手機(jī).Web頁面中將歷史數(shù)據(jù)做成圖表提供給管理者，實現(xiàn)管理者對各項數(shù)據(jù)的優(yōu)化迭代，進(jìn)一步優(yōu)化實驗室管理各項數(shù)據(jù)的設(shè)置.

2　硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中采用CC2530為核心元件.CC2530是ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案.CC2530中包含了優(yōu)良性能的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051單片機(jī)，可編程閃存，8KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能.CC2530具有多種工作模式，非常適合需要超低功耗的系統(tǒng).運(yùn)行模式之間的低轉(zhuǎn)換時間進(jìn)一步確保了低能耗.

2.1　協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計包括CC2530與RS485總線控制電路，如圖3所示.協(xié)調(diào)器節(jié)點在固定的間隔內(nèi)，訪問各個傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點將測量的環(huán)境參數(shù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS485總線將環(huán)境參數(shù)傳送給日志服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存.RS485是定義用于串行通信系統(tǒng)的驅(qū)動器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)，平衡電信號，支持多點系統(tǒng).該標(biāo)準(zhǔn)由電信行業(yè)協(xié)會和電子工業(yè)聯(lián)盟(TIA/EIA)聯(lián)合發(fā)布.實施該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)可以在長距離和電噪聲環(huán)境中有效使用.多個接收器可以通過線性多點總線連接到這樣的網(wǎng)絡(luò).這些特性使RS485在工業(yè)控制系統(tǒng)和類似應(yīng)用非常廣泛.

圖3　協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件

圖4　傳感器節(jié)點硬件

2.2　傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點主要包含傳感器、CC2530、數(shù)據(jù)顯示3個部分.傳感器主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的測量.整個系統(tǒng)中包含多種傳感器，用來測量各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)需要，添加新的傳感器節(jié)點或者移除已經(jīng)不需要的傳感器節(jié)點.CC2530負(fù)責(zé)從傳感器讀取測量的數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點.

為了直觀表示當(dāng)前的測量結(jié)果，方便實驗室人員現(xiàn)場直接讀取數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點中加入了LED顯示屏直接顯示測量結(jié)果.傳感器節(jié)點硬件如圖4所示.

3　軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件程序分為兩個部分，ZigBee無線傳輸程序以及Web程序.ZigBee無線傳輸程序負(fù)責(zé)收集各個傳感器測量的數(shù)據(jù)，并通過傳輸至日志服務(wù)器存儲.Web程序負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)的展示與異常報警.

圖5　ZigBee無線傳輸程序流程

3.1　ZigBee無線傳輸

本系統(tǒng)采用星狀拓?fù)鋪順?gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點之間無需通信，傳感器只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信.協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，傳感器節(jié)點會加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，傳感器定時測量環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到傳感器節(jié)點測量的數(shù)據(jù)后，利用串口通信把數(shù)據(jù)傳送給日志服務(wù)器保存.

無線傳輸?shù)能浖鞒倘鐖D5所示.

3.2　Web程序

為了更好地展示實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，編寫了Web程序.管理員通過瀏覽器就能訪問實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，并能夠通過頁面設(shè)置異常數(shù)據(jù)的閾值、管理者的手機(jī)號碼與電子郵箱地址等信息.

Web容器采用Apache Tomcat，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，頁面采用JSP來表示數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)圖表采用開源的jqPlot來客戶端繪制.

Web服務(wù)器端定時訪問數(shù)據(jù)庫，讀取實時數(shù)據(jù)，如果實時數(shù)據(jù)處在異常區(qū)域，調(diào)用Java的發(fā)送短信程序，向設(shè)定的手機(jī)號碼發(fā)送短信.

4　小　結(jié)

本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)測量與展示方案，克服了有線系統(tǒng)的布線困難、擴(kuò)展困難、成本高等問題.利用ZigBee的無線組網(wǎng)功能實現(xiàn)了對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的無線測量，并將測量的數(shù)據(jù)保存至日志服務(wù)器，以備查詢與分析.實驗證明該方案能夠?qū)崟r測量環(huán)境溫度、濕度.遇到環(huán)境異常時，能夠?qū)崟r通知管理員.

為了擴(kuò)展系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)種類，可以添加傳感器節(jié)點來實現(xiàn).如果是多個實驗室的情況下，可以將星狀拓?fù)鋽U(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)狀拓?fù)鋪頂U(kuò)展系統(tǒng)的覆蓋范圍.