基于物聯網的實驗室環境監控系統研究

萬百會 魏 玲 鄧云琛 王國輝

（長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春130022）

0 引言

近年來，隨著我國高校教育規模的不斷擴大，高校在校生的數量不斷增多，從而需要高校的實驗室的功能進一步增強，使之成為培養高校優秀畢業生重要組成部分。研發實驗室環境參數監控網絡已經提上日程，目前這類網絡系統主要是利用傳感器組網完成實驗室環境參數的感測，實現實驗室安全的監控、管理和控制。實驗室的環境條件是實驗正常展開的最重要的保證之一，一般來說，實驗室環境主要包括溫度、濕度、光線、空氣凈化級別等等。通過/采集控制中心，實驗室內的壞境條件可以適時的傳送到中央處理系統，當溫度高于系統設定最高溫時，中央處理系統會通過控制實驗室的開關，自動開啟制冷空調；當濕度低于系統設定的最低值時，中央處理系統將自動開啟加濕器的開關，當實驗室的光線暗于最低值時[1]，同樣，中央處理系統也可通過傳感器自動打開實驗室的燈光或窗簾等采光，當實驗室出現安全問題時，如火災，漏水，漏氣等，采集控制中心和中央處理系統的互動將會在第一時間啟動消防系統的自動報警功能，關閉有危險的電力，水力等系統，將險情在第一時間得到控制同時將實時信息反映在實驗室管理人員的實時通訊設備例如移動電話接口等。

1 系統構成

基于物聯網的實驗室環境監控系統主要由AT89S52及其總線結構、鍵盤、LCD12864、5V 繼電器、聲光報警、ZigBee模塊、傳感器（包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外熱釋電模塊、光敏電阻小模塊）組成，其結構框圖如圖1所示。

2 系統的工作原理

系統通過微控制器采集溫濕度信號、光信號、煙霧信號以及輸出一些控制信號，并通過ZigBee通信模塊將采集的數據按照一定數據格式傳輸給管理PC機，在PC中對實驗室環境參數進行采集及處理、統計等。系統中各個傳感器節點的數量可以根據實驗室的實際應用情況進行適當的擴展，這些節點自組織構成的無線傳感器控制網絡將具備感測、控制、判斷、自恢復和多元通信等功能。系統中的各個傳感器節點能夠協同其他節點檢測實驗室的環境信息，并作出相應的判斷和動作，同時將信息通過ZigBee發送給管理者或者接受管理者的指令進行相應的控制。

3 系統軟件設計

3.1 監控網絡系信息無線傳輸系統

系統設計采用的CC2430為核心的Zigbee控制模塊。CC2430是一顆真正的系統芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHz直接序列擴頻射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。CC2430的設計結合了8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊。

圖1 系統結構框圖

ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層、應用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展[2]。

ZigBee網絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網絡中設備的可分為協調器、匯聚節點、傳感器節點等三種角色。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

ZigBee的組網方式如圖2所示，系統中選用星型的組網方式。

圖2 ZigBee的組網方式

圖3 系統總體程序框圖

3.2 監控網絡系系統軟件設計思想

從整個系統運行過程來看，可以將系統的運行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數據采集模塊向控制中心的數據傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數據采集模塊發出控制命令，能對實驗室內的設備比如燈光、溫度、濕度等進行數據采集或控制。

在上傳處理時，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運行時首先需要創建無線網絡，然后進行配置，將現場的實時信息發送到網絡中；一旦接收到數據上傳命令，就將采集的信息上傳；網關在接收到無線傳感器網絡發送的數據后，一方面，需要對數據的正確性進行校驗；另一方面，及時將數據根據協議進行封裝，把數據發送到網絡中的遠程管理節點，并根據有效傳輸數據對現場的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時，系統首先由遠程控制中心發送允許控制命令，同時要將底層的無線傳感器網絡建立起來，一旦遠程用戶控制中心通過控制界面對底層發送控制命令或呼叫命令，首先要檢測命令的正確性，然后，依據命令中的設備號查詢控制的設備名稱，當這些設備都正常運轉時，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機發送命令進行現場的控制，系統總體程序流程圖如圖3所示。

4 結束語

進行實時、多元的檢測，實現了智能化無線網絡安全監控功能；充分利用了ZigBee無線網絡的穩定性和良好的可擴展性的特點，保障了系統的可擴展性，為實驗室環境參量的實時監控提高提供了一個高效的實用平臺。本文設計的基于物聯網的實驗室環境監控系統，實現了遠程實驗室環境數據采集和無線傳輸，系統測試的結果基本達到了預期要求。該系統具有良好的可移植性和擴展性，可以根據實際需求方便地在數據采集模塊上進行傳感器的擴充以實現更多功能。

［1］李磊,林土勝,吳振強.基于Zigbee技術的實驗室無線安全監控系統研發[J].實驗室技術與管理,2011,28(1)：108-116.

［2］李文仲.Zigb ee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京航空航天大學出版社,2008.