物聯網技術在實驗室安防信息采集中的應用研究

郭小丹　陳小瑩　胡永

摘要：針對當前高校實驗室安防信息采集應用的局限性，將物聯網技術應用于實驗室的信息采集系統。系統融合了多種傳輸方式，運用嵌入式技術、無線傳感網絡技術、通信技術實現了實驗室安防實時監測，能夠及時反映實驗室險情，大大簡化了工作流程，給管理人員帶來了極大的便利。測試表明，系統運行可靠，反饋正確，完全滿足應用需求，具有較高推廣應用價值。

關鍵詞：物聯網； 安防采集； Zigbee； GSM； 電力載波

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）04-0054-04

Abstract：To solve the information collection and application limitations existing in current colleges safety system， the Internet of things technology will be applied to information acquisition system lab. Combining multiple transmission modes， this system has realized real time monitor on laboratories by adopting Embedded Technology， Wireless Sensor Technology， and Communication Technology. Thus dangerous situations in laboratories can be detected quickly， and the workflow is also simplified which brings great convenience to the administrators. Test results have proved this systems reliability and correct feedback， which satisfies the need of application. Hence it has high value of popularization and application.

Key words：The Internet of Things； Surveillance and Safety Control； Zigbee； GSM； Power Line Carrier

0引言

高校實驗室是實施人才培養、開展科學研究以及提供社會服務的重要場所，而且實驗室又占據著高校固定資產的較大份額，如何進行實驗室的安全維護和集中管理也已成為研究界一個熱門課題。本文即將物聯網技術應用到實驗室安防領域，并在當前實驗室環境監測范圍內，前端運用傳感器采集險情信號，組建無線傳感器網絡，以實現實驗室安防信息的智能化獲取，如此則大大簡化了系統的硬件結構；再則，將現有電力網絡和無線公網也融合到系統中，并運用多種傳輸方式將前端采集到的信息可靠地傳輸至后臺，即使得用戶與各監測節點可進行實時信息交互。

1系統框架與原理

本系統主要由三部分構成：環境監測前端、數據傳輸中轉站和系統處理后端。根據物聯網三層結構定義[1]可知，該系統中監測前端屬于感知層；GSM網絡，電力載波通信，Zigbee無線數據傳輸都屬于網絡層；系統處理后端PC機和用戶手機則屬于應用層。相應地，各個部分就需要執行對實驗室數據的現場采集與發送，數據的接收、判斷與傳輸，接收報警信息的處理，以及最終完成實驗室信息的可視化、查詢和管理等重要功能。系統具體框架結構即如圖1所示。

由圖1可知，前端監測模塊定時采集各個傳感器信號，對信號進行濾波、放大、處理后通過Zigbee將實驗室狀態發送至中轉站，中轉站將根據實驗室當前安全狀態，選擇傳輸途徑，再將安全狀態發送給PC機軟件或者向實驗室管理人員手機發送報警短信。管理人員則可通過手機短信或者PC機監控軟件發送查詢狀態命令，以獲取實驗室實時安全狀態信息，監測模塊收到采集命令后，即刻采集所有傳感器數據并通過中轉站發送給管理人員手機或PC機軟件。

2實驗室安防監控系統設計

2.1前端監測模塊設計

在實驗室安防檢測應用中，部署在實驗室環境中的監測模塊位于整個物聯網絡架構的最底層，向上為傳輸網絡，鄰近是后臺基站和管理員手機，再后則連接Internet。由于本系統功能是對實驗室安防的異常信息進行報警，考慮到產品的成本和資源浪費問題，最終采用的即是將溫度、煙霧和紅外這三種傳感器接入到同一個監測模塊的設計方案，方案設計如圖2所示。

2.2智能傳輸通道的搭建

本設計傳輸通道可以定義為從前端監測模塊經數據中轉到后臺數據處理之間的通信系統，包括中轉站傳輸與后臺傳輸。中轉站MCU首先獲得前端采集的實驗室狀態數據，經過處理后選擇使用電力載波和Zigbee兩種傳輸方式發送給后臺MCU，如果出現險情，與此同時系統就會通過GSM短信模塊向實驗室管理人員手機發送報警短信，后臺MCU在接收到中轉站發來的數據后將進行一定的處理，再通過串口直接發送給PC機。系統各組成部分數據傳輸方式如圖3所示。

2.2.1智能傳輸通道硬件設計

（1）GSM短信模塊。ZWG-03A是一款基于GSM網絡的智能短信收發終端設備，用戶不需關心數據傳輸細節，通過其提供的RS232接口，即可完成短信收發，使用非常方便。可以通過配置工具及短消息這兩種方式來整合設備，實現在GSM網絡覆蓋范圍內的任意傳輸。

（2）電力載波模塊。電力載波模塊是傳輸通道的重要傳輸模塊之一，能夠完成數據調制到電力線的功能。BWP20 電力載波模塊提供半雙工通信功能，可以在220/110V，50/60Hz 電力線上實現信號調制和解調。該模塊為用戶提供了透明的數據傳輸通道，數據傳輸與用戶協議無關，由用戶通訊協議驗證數據傳輸的可靠性。在同一臺變壓器下，多個BWP20模塊可以連接在同一條電力線上，而且在主從通信模式下，模塊將分別單獨工作，不會相互影響。

（3）MAX232電平轉換。由于控制器既要連接提供RS232[2]接口的ZWG-03A，又要連接提供UART接口的Zigbee，為了節省成本，使用控制器固有的UART通過MAX232芯片轉換后連接ZWG-03A模塊，而利用IO口模擬UART連接Zigbee模塊。

單片機的UART接口采用TTL電平，設定正邏輯，電壓范圍0～5V，短信模塊和電力載波均采用RS232接口，電壓范圍±15V之間，為了能相互通信，需要實現電平匹配，使系統的工作穩定而可靠。在實際使用過程中一般采用電平轉換芯片，本系統則采用MAX232。

2.2.2覆蓋組網與傳輸

數據傳輸中轉站在本系統中擔任了異構融合網絡中繼的角色：借助Zigbee網絡完成與前端監測模塊通信；利用電力載波通信和Zigbee網絡實現與后臺PC機通信；通過GSM網絡與實驗室管理人員手機通信。由此而實現了底層數據采集、數據的網絡傳輸及其上層數據應用。

為了適應監測點的動態添加和移除，前端節點與傳輸中轉站均通過Zigbee協議[3]完成通信。因前端監測設備節點數量少，通信距離近，且需要前端節點數量能夠隨時動態增減，組網時采用的是星型網絡結構。從中轉站到后臺數據處理模塊之間采用Zigbee無線和電力載波有線兩種傳輸路徑進行數據傳送。無線傳輸雖然方便快捷，但在一定的情況下卻可能會導致傳輸數據的丟失，因此同一過程也還要采用電力線進行數據傳輸。在后臺獲取數據的時候，則可將兩種路徑傳輸來的數據進行對比，確定傳輸數據的可信度，降低數據在傳輸過程中發生錯誤的概率。而在此期間，實驗室管理人員還可以借助手機接收遠程報警短信。

3系統的實現及測試

系統構成包括了如下部分：多套傳感器、前端監測模塊、數據傳輸中轉站、GSM短信模塊、電力載波模塊、后臺數據處理模塊等。其中，前端監測模塊、數據中轉站、后臺數據處理模塊的主控制器均采用STC12C5A60S2單片機，而其控制程序則采用高效的C語言編寫。各個控制模塊軟件實現流程即如圖4所示。

本系統模擬監測兩個實驗室，所以配備2個監測模塊，分別連接紅外傳感器—用于監測是否有人入侵，以及煙霧傳感器和溫度傳感器—用于監測是否有火情以及溫度是否正常，并通過所連接的ZigBee模塊，將監測獲取數據實時傳送至中轉站。中轉站涉及的是轉發模塊，分別連接ZigBee模塊、電力載波模塊以及GSM手機模塊。后臺存儲著數據處理模塊，分別連接電力載波模塊、ZigBee模塊和一臺PC機。在配置完成系統各部分模塊后，確認傳感器完好無損，運行監控軟件，并給各個模塊上電，聯合調試。具體測試布局如圖5所示。

分別改變各傳感器監測對象的條件，系統能夠及時地向上反饋信息。從實驗室監測模塊到中轉站間ZigBee無線傳輸偶爾有數據丟失，由于發送頻率較高，所以對結果影響不大。中轉站到后臺是通過兩條路徑進行數據傳輸，可靠性較高，在測試過程中未發現數據遺漏。通過辦公室的監控軟件查詢兩個實驗室狀態，系統也能及時地收到回復。人為改變傳感器監測條件，使其滿足報警條件，管理人員手機也能及時收到報警短信。經過長時間連續測試，系統仍平穩可靠工作。

4結束語

本文將物聯網與實驗室安防系統相結合，研究了基于物聯網的實驗室安防系統的結構原理和軟硬件設計。該系統采用了泛在網工作委員會提出的物聯網三層結構，按照感知層、網絡層和應用層的結構設計[4-5]。前端感知設備與數據傳輸中轉站之間借助低功耗的Zigbee技術，采用星型拓撲結構，實現了無線網絡通信。在網絡層，可通過Zigbee技術、GSM短信技術和電力載波技術，以冗余鏈路的方式將數據可靠地傳送到后臺PC機和管理人員的手機上。最后，模擬實驗室環境，搭建了安防信息采集系統，經系統測試，取得良好效果。

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