韓團(tuán)軍，尹繼武，張攀飛，鄭 旭，鄭爭(zhēng)兵

基于GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓團(tuán)軍，尹繼武，張攀飛，鄭 旭，鄭爭(zhēng)兵

（陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

針對(duì)當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室安全管理效率和信息化程度低下，提出了一種基于GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用檢測(cè)終端對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)，并對(duì)其環(huán)境各種信息量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示以及超閾值報(bào)警及自動(dòng)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象滅火等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了實(shí)驗(yàn)室安全管理的信息化程度，可以滿足各個(gè)高校的實(shí)驗(yàn)室安全需求。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室；Zigbee組網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)；服務(wù)器

近些年，隨著高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)能力加大，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為高等學(xué)校的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)室安全，已經(jīng)成為高校和政府部門高度關(guān)注的大事。如何利用現(xiàn)在的科技手段快速、有效地發(fā)現(xiàn)安全隱患并能將隱患自動(dòng)排除，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室和科研人員研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)裝置較為簡(jiǎn)陋，通過(guò)有線方式或者以本地方式進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量大，整個(gè)系統(tǒng)操作不方便，如果工作人員疏于管理或者科研人員錯(cuò)誤操作，就會(huì)發(fā)生一些不安全事故，同時(shí)事故不能及時(shí)自動(dòng)排除。本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，檢測(cè)終端對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)并對(duì)其環(huán)境各種信息量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示以及超閾值報(bào)警、自動(dòng)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象滅火等，整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境各種參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)排除危險(xiǎn)的功能。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成：終端傳感器對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、多終端Zigbee和協(xié)調(diào)器Zigbee相互通信、GPRS模塊將打包的數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器、遠(yuǎn)程客戶端上位機(jī)軟件。其中終端主控STM32單片機(jī)通過(guò)接口控制其傳感器對(duì)其溫濕度、煙霧濃度、火焰等外界環(huán)境的信息進(jìn)行采集，獲取參數(shù)并顯示在OLED液晶屏上。多個(gè)終端Zigbee進(jìn)行多實(shí)驗(yàn)室的互聯(lián)，并將獲得的信息通過(guò)協(xié)調(diào)器Zigbee發(fā)送至主控制器STM32單片機(jī)上。協(xié)調(diào)器Zigbee接收到的多終端數(shù)據(jù)以通過(guò)串口方式將其發(fā)送至主控單片機(jī)STM32,主控芯片又啟動(dòng)GPRS模塊將數(shù)據(jù)包上傳服務(wù)器上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解壓、分析、實(shí)時(shí)顯示、保存等功能。上位機(jī)又可通過(guò)數(shù)據(jù)的下發(fā)來(lái)控制終端繼電器的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程緊急斷電和滅火等功能。協(xié)調(diào)器和GPRS傳輸數(shù)據(jù)并上傳至云平臺(tái)，總系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖

1.1 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用5 V和3.3 V兩種電源電壓為不同模塊進(jìn)行供電。5 V電壓采用LM2940穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片具有輸出電流大，最大可達(dá)1 A，輸出電壓范圍較寬，最大輸出電壓為26 V，在–40~+125 ℃溫度范圍內(nèi)工作比較穩(wěn)定，其內(nèi)部含有靜態(tài)電流降低電路過(guò)熱保護(hù)、輸入電源反接保護(hù)電路。系統(tǒng)所需+3.3 V電壓采用穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3將設(shè)計(jì)好的+5 V電壓轉(zhuǎn)化為STM32控制器所需要的+3.3 V電壓，可以在芯片輸出電壓處接一個(gè)LED指示燈顯示供電狀態(tài)提醒。整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)圖

1.2 無(wú)線模塊電路

無(wú)線模塊分為Zigbee通信模塊和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊。系統(tǒng)中終端監(jiān)測(cè)部分與主控制器之間相互組網(wǎng)采用Zigbee模塊。Zigbee模塊采用CC2530F256RHAR芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯片的傳輸速率為3300 Bps，采用UART串口通信方式，接收靈敏度為–97 dBm，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信可實(shí)現(xiàn)0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發(fā)射功率為20 dBm，芯片中集成了一塊CC2591功放，可測(cè)試距離達(dá)1000 m以上。Zigbee電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

GPRS模塊采用SIM800C，是一款四頻GSM/ GPRS模塊，體積小巧，性價(jià)比高，工作性能穩(wěn)定，工作頻段GSM/GPRS850/900/1800/1900 MHz，可以在低功耗下實(shí)現(xiàn)SMS、語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。GPRS模塊在系統(tǒng)中作為協(xié)調(diào)器和服務(wù)器之間的橋梁，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。設(shè)計(jì)中使用模塊的TTL電平串口通信連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，采用12 V 1 A電源供電源適配器，其最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

1.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

多傳感器有溫濕度傳感器，煙霧、氣體傳感器，火焰?zhèn)鞲衅骱屠^電器遠(yuǎn)程端控制電路。溫濕度傳感器采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT30，該產(chǎn)品體積小、可靠性高、性能長(zhǎng)期穩(wěn)定、功耗低、采用IIC通信，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)。該傳感器溫度測(cè)量精度可以達(dá)到0.01 ℃，濕度精度可達(dá)0.03% RH，溫度測(cè)量范圍為–40~125 ℃，濕度測(cè)量范圍為0%~ 100% RH，能夠滿足本系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

煙霧、氣體采用MQ-5型傳感器，通過(guò)對(duì)傳感器添加加熱器電壓和測(cè)試電壓即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓幅值。調(diào)節(jié)電位器R8可以改變TTL輸出的靈敏度。DOUT為TTL的高低電平輸出端，AOUT則是模擬電壓的輸出端。該電路具有電平信號(hào)和模擬量雙路輸出。電平信號(hào)可連接單片機(jī)中斷，當(dāng)待測(cè)氣體的濃度達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)響應(yīng)。模擬量輸出電壓與濃度的高低為線性關(guān)系，電壓越高則濃度越高。煙霧氣體傳感器電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖3 Zigbee電路設(shè)計(jì)圖

圖4 GPRS最小系統(tǒng)電路圖

圖5 溫濕度傳感器電路圖

圖6 煙霧氣體傳感器電路圖

繼電器模塊系統(tǒng)使用5 V供電模塊，電路設(shè)計(jì)上直接使用三極管提供驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際電路中注意在繼電器的電源端一定要反接一個(gè)二極管，同時(shí)最好在靠近繼電器的電源端接入1000 uF以上的電容，以增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。利用繼電器，在現(xiàn)代家居生活中可以連接多種家用電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，具有很高的實(shí)用性。設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

圖7 繼電器控制電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括各個(gè)采集模塊傳感器的初始化程序、采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以及通過(guò)Zigbee無(wú)線傳送的通信子程序。系統(tǒng)首先上電復(fù)位執(zhí)行操作，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集，溫度采集模塊SHT30和STM32之間通過(guò)IIC總線通信，MQ-5氣敏煙霧傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)STM32內(nèi)部ADC模塊讀取，火焰?zhèn)鞲衅鞯?路數(shù)據(jù)直接由單片機(jī)IO口讀取高低電平。最后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、校正計(jì)算，得到實(shí)際的結(jié)果值通過(guò)STM32單片機(jī)串口控制的Zigbee模塊將此數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)。程序流程圖如圖8所示。

圖8 終端數(shù)據(jù)采集發(fā)送軟件流程圖

2.2 協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)包括STM32單片機(jī)、Zigbee通信模塊和GPRS無(wú)線發(fā)送模塊。Zigbee模塊由STM32控制器UART3控制，負(fù)責(zé)接收終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)、分析處理。GPRS模塊與STM32控制器UART3之間進(jìn)行通信，是將分析后重新打包的數(shù)據(jù)通過(guò)此串口發(fā)送給云平臺(tái)。其程序流程圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)接收和無(wú)線傳輸軟件流程圖

2.3 上位機(jī)軟件開發(fā)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)完成，該平臺(tái)操作方便，通過(guò)對(duì)控件和庫(kù)的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)界面。服務(wù)器和上位機(jī)是通過(guò)TCP協(xié)議通信。用戶可以根據(jù)自己的檢測(cè)數(shù)據(jù)和要求進(jìn)行定義端口。整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要由4部分組成：軟件參數(shù)設(shè)置模塊、遠(yuǎn)程緊急開關(guān)的設(shè)置模塊、原始數(shù)據(jù)接收及顯示模塊、數(shù)據(jù)處理及繪圖模塊，詳細(xì)模塊功能如圖10所示。

圖10 上位機(jī)開發(fā)軟件功能圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)的測(cè)試終端

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體軟硬件設(shè)計(jì)，得到了整個(gè)GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中模擬了安全管理實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試平臺(tái)，首先準(zhǔn)備好2個(gè)監(jiān)測(cè)終端，協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)和測(cè)試電腦1臺(tái)。將2個(gè)監(jiān)測(cè)終端分別放入相鄰的2個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，并將協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放入其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試。安全管理系統(tǒng)實(shí)物終端圖如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)程安全管理系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及分析

整個(gè)系統(tǒng)搭建成功后，對(duì)模擬的終端通過(guò)人為改變外界環(huán)境來(lái)觀察此系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化情況。對(duì)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行可靠性分析，觀察上位機(jī)數(shù)據(jù)的變化和做出相應(yīng)的記錄，證明系統(tǒng)的正確性。上位機(jī)開發(fā)界面數(shù)據(jù)顯示如圖12所示。

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，不同時(shí)刻的溫、濕度數(shù)據(jù)如表1所示。由上面數(shù)據(jù)可以看出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的溫、濕度數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致，符合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求。

同時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制部分點(diǎn)擊上位機(jī)界面上的控制緊急按鈕，觀察到終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)上響應(yīng)的繼電器開關(guān)已經(jīng)打開，并且控制的滅火裝置和緊急斷電裝置已經(jīng)正常工作，并可觀察到火焰靠近傳感器時(shí)遠(yuǎn)程客戶端的上位機(jī)火焰標(biāo)志已響應(yīng)，本地蜂鳴器報(bào)警已打開，繼電器控制其噴水裝置已經(jīng)正常工作以及模擬的照明系統(tǒng)的電源也已經(jīng)斷開。證明了整個(gè)系統(tǒng)工作正常。

圖12 上位機(jī)界面數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)圖

表1 溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程安全管理系統(tǒng)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。Zigbee組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送和接收匯總并處理分析，采用GPRS互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將匯總的數(shù)據(jù)重新打包完成的數(shù)據(jù)，上傳至阿里云服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行顯示和保存。整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。

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Design of remote laboratory safety management system based on GPRS and Zigbee

HAN Tuanjun, YIN Jiwu, ZHANG Panfei, ZHENG Xu, ZHENG Zhengbing

(Physics and Telecommunications Engineering Department, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

In view of the low efficiency and informatization of laboratory safety management in colleges and universities, a remote laboratory safety management system based on GPRS and Zigbee is proposed. The system uses the detection terminal to interconnect multiple laboratories and automatically detect various environmental information, analyze and process the detected data, display, alarm over threshold and automatically extinguish fire phenomena. Through the experimental test, the system can realize the real-time monitoring of laboratory safety environment data, improve the information level of laboratory safety management and meet the laboratory safety needs of colleges and universities.

remote laboratory; Zigbee networking; Internet; server

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.059

S275.6

A

1002-4956(2019)11-0240-05

2019-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61401262）；陜西省教育廳基金項(xiàng)目（18JK0160）；陜西理工大學(xué)2017年科研基金項(xiàng)目(SLGKY2017-16)

韓團(tuán)軍（1981—），男，陜西乾縣，碩士，講師，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與分析。E-mail: htjzyh@163.com