基于ZigBee的圖書館環境監控系統設計

孫九瑞，孫曉晨

山東科技大學電子通信與物理學院，山東青島 266590

基于ZigBee的圖書館環境監控系統設計

孫九瑞，孫曉晨

山東科技大學電子通信與物理學院，山東青島 266590

為了改善圖書館閱讀環境，提出了一種基于ZigBee的圖書館環境監控系統。該系統以TI公司的CC2530芯片為核心，結合CC2591芯片、各類型傳感器及PC上位機構建系統網絡的硬件平臺。終端節點采集圖書館各處的溫濕度、光照強度、有無煙霧以及是否有人等信息，通過Zigbee協議搭建無線通信網絡，將數據信息發送到協調器節點，協調器將接收的數據通過串口通信發送給上位機，通過上位機軟件對數據分析、顯示、處理。系統不僅能實現多重數據的實時監測、對異常情況進行報警，還可以根據管理員的操作實現相應調控。

環境監控；傳感器；ZigBee；無線通信網絡；上位機

在社會日常生活中，人們對圖書館的閱讀環境提出了更高要求，如何保證圖書館內適宜的溫濕度、良好的光線，提供可靠的防火安全措施以及減少能源浪費等都成為亟需解決的問題。由于ZigBee協議是一種基于IEEE802．15．4標準的短距離、低功耗無線網絡協議［1］，具有低成本、低功耗、自組網、網絡容量大、可擴展、時延短、安全性高、可靠性強、數據速率低等特點，其被廣泛應用于生活的各個方面［2-3］。文中設計了一種基于ZigBee的圖書館環境監控系統，實現了對環境因素的實時監測并能根據管理員操作做出相應調控，具有一定的經濟效益和社會效益。

1 系統概述

圖書館環境監控系統由上位機、協調器、路由器及終端節點（包含傳感器及相關控制電路）組成［4］。結構如圖1所示。

圖1 圖書館環境監控系統結構

協調器上電，選擇信道、進行網絡配置，建立網絡；終端節點自動加入并采集溫濕度、光照強度，檢測煙霧信息、是否有人，然后將數據傳送給路由器節點；經過路由器節點之間的互相通訊以及數據處理，最終將數據通過協調器節點傳至上位機；上位機軟件將所測得的信息進行實時顯示，以方便管理員對圖書館環境進行查詢與監控。同時軟件平臺可根據管理員操作向下位機發送命令，傳送到相應終端節點實現對溫度、濕度、燈光及警報的控制。終端節點可根據檢測的煙霧信息自動進行火災報警，同時也可以根據需要實現防盜警報。

2 系統硬件設計

2．1 終端節點硬件設計

系統的終端節點以CC2530芯片為核心結合各個傳感器以及相關控制電路組成［5］。

2．1．1 終端節點傳感器電路設計

1）選用數字型插針式的DHT11溫濕度傳感器采集圖書館各處溫度、濕度。DHT11是含有已校準數字信號輸出的復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件以及一個NTC測溫元件，并與一個高性能的8位單片機相連接。具有體積小、功耗低、精度高、響應快、抗干擾性強、性價比高等優點。溫濕度傳感器接口電路如圖2所示，LED1為溫濕度傳感器工作指示燈。

圖2 溫濕度傳感器接口電路

2）選用具有多分辨模式的BH1750FVI光照傳感器。BH1750FVI內部包含接近人眼反應的光敏二極管（PD）、集成運算放大器（AMP）、ADC模塊、光強度計算和I2C總線接口（Logic＋IC Interface）以及內部振蕩器（OSC）。測量時無需其他外部件，對應廣泛的輸入光范圍（相當于1～65 535 lx），直接數字輸出，省略復雜的計算，光源依賴性弱，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 lx的高精度測定。文中選用分辨率在1 lx的H分辨率模式。電容作用是濾波，為了輸入穩定的電壓，I2C時鐘線SCL和數據線SDA分別接到IO引腳；地址選擇線直接接地，即從機的地址為“0100011”［6］。如圖3光照傳感器接口電路所示，ADDR引腳接地，SCL與SDA引腳分別與P0．4、P0．5相連，LED2為光照傳感器工作指示燈。

圖3 光照傳感器接口電路

3）選用MQ-2煙霧傳感器監測煙霧濃度來實現火災防范與警報。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中煙霧濃度越大，傳感器電導率越大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，從而判斷是否有煙霧存在。煙霧傳感器接口電路如圖4所示。

圖4 煙霧傳感器接口電路

MQ-2傳感器連接在P0．6端口上，正常工作時輸出高電平，當與煙霧接觸時，輸出變為低電平；蜂鳴器電路接在P0．7端口，當有險情發生時，P0．7端口向外輸出低電平，蜂鳴器發出響聲提醒用戶注意安全，同時通知上位機。

圖5 紅外熱釋電傳感器接口電路

4）選用HC-SR501紅外熱釋電傳感器來判斷是否有人。由傳感器探測元、干涉濾光片和場效應匹配器組成，人體發射的紅外線由菲泥爾濾光片增強后聚集到采用熱釋電元件的紅外感應源上，紅外感應源在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡。人進入其感應范圍，輸出高電平；人離開感應范圍，則自動延時關閉高電平，輸出低電平［7］。紅外熱釋電傳感器接口電路如圖5所示。

2．1．2 終端節點控制電路設計

終端節點通過接收上位機命令后執行控制繼電器指令，以完成對溫濕度、燈光及報警的開關控制。繼電器作為一種電控制器件，實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。通常應用于自動化的控制電路中。

圖6為終端節點控制燈光開關電路，其他控制單元與此相似，不做贅述。上位機下達指令傳送到終端節點，終端節點通過P1．3端口控制繼電器吸和與斷開完成燈光控制。電阻R11主要起限流作用以降低Q2功耗，電阻R12使Q2可靠截止，LED5為繼電器工作指示燈，二極管D1選用IN4148，起保護作用。

圖6 終端節點控制電路

2．2 路由節點硬件設計

路由器節點以CC2530作為核心，以CC2591為前端傳輸。增加CC2591芯片，可以提高信號的輸出功率，擴大傳輸距離（通信距離在視野好的開闊環境可達500 m以上），減少路由器的數量［8］。

CC2591射頻前端模塊電路如圖7所示，CC2591的3個使能控制引腳HGM、EN、PA＿EN引腳都連接到CC2530的I／O端口P1＿2、P1＿4、P1＿1，射頻輸入輸出引腳RF＿N和RP＿N分別與CC2530芯片的射頻輸入輸出引腳RF＿N、RP＿N相連。

圖7 CC2591射頻前端模塊電路

由于路由器節點需要一直搜索是否有信息需要轉發，功耗較大，故采用直流5 V供電，通過低壓差電壓調節器AMS1117輸出3．3 V給CC2530供電。路由器節點電源電路如圖8所示，路由器節點實物如圖9所示。

圖8 路由器節點電源電路

圖9 路由器節點

2．3 協調器節點硬件設計

協調器節點作為整個網絡的核心，負責網絡建立、網絡配置、與上位機控制軟件通信以及完成信息的發送與接收。為了方便上位機控制軟件與CC2530芯片之間的通信，采用PL2303芯片實現USB到串口的轉換，同時將5 V電壓轉換為3．3 V給CC2530直接供電。協調器節點外圍電路如圖10所示，協調器節點實物圖如圖11所示。

圖10 協調器節點外圍電路

圖11 協調器節點外圍電路

3 系統軟件設計

本系統軟件設計主要分為4部分：終端節點的數據采集與模塊控制、路由器節點控制以及協調器節點數據收發與上位機通信及上位機控制軟件設計。本系統軟件采用C語言模塊化編程方式，使程序利于調試和修改，同時也增強了程序的可讀性和可移植性。

3．1 系統各節點軟件設計

利用TI提供的ZigBee 2007協議棧進行編程，ZigBee協議分為2部分，IEEE 802．15．4定義了PHY（物理層）和MAC（介質訪問層）技術規范；ZigBee聯盟定義了NWK（網絡層）、APS（應用程序支持子層）、APL（應用層）技術規范［9］。ZigBee協議棧將各層定義的協議都集合在一起，以函數的形式實現，并給用戶提供了應用程序編程接口（application pro-gramming interface，API），用戶可以直接調用。終端節點［10］、路由器節點［11］及協調器節點控制流程如圖12～14所示。

圖12 終端節點軟件設計

圖13 路由器節點軟件設計

圖14 協調器節點軟件設計

圖15 上位機管理軟件界面

3．2 系統控制軟件設計

本系統上位機軟件在．NET平臺下使用Visual Studio 2012提供的圖形化的可視窗體設計器結合SQL Server 2008進行設計，可以實現所見即所得的設計效果，方便對系統的管理和控制［12］。

菜單欄為系統常用菜單選項，包括管理、設置、用戶切換、系統日志和幫助等。地址選擇欄提供地點名稱，每一地點對應相應的節點狀態及控制選擇面板，面板中包括顯示節點的狀態信息（溫度、濕度、光照強度、是否有人、有無煙霧）；工作方式選擇（自動控制和手動控制）；自動控制時的溫度范圍、濕度范圍及光照強度最小值；溫控模塊、濕控模塊及燈光管理模塊的開關選擇；有人區域列表。底部為系統時間和系統工作狀態。上位機管理軟件界面如圖15。

系統以社科借閱區A（20 m×14 m）為例進行測試，節點1、2位于南側向陽區，節點3、4位于中央區，節點5、6位于北側靠墻區。測試節點間沒有墻體和書架阻隔且為靜止狀態，6個節點均能順利加入ZigBee網絡。各節點狀態信息如表1。

表1 社科借閱區A各節點狀態信息

溫度均值為26．67℃；濕度均值為50．17%；無煙霧，系統未報警；有人區域列表包括所有節點；溫度、濕度及光照強度均在設定范圍內，相應模塊未工作。

4 結束語

文中設計了一種基于ZigBee的圖書館環境監控系統，簡要介紹了系統各部分軟硬件組成、設計方法及主要流程。由于ZigBee低成本、低功耗、自組網、容量大、可擴展等特點，既省去了傳統布線的繁瑣工作，也為系統的節點的增加、功能的擴充提供了便利。系統較好地完成了對環境信息實時監控的基本要求，改變了人工操作費時費力的狀況，對工業生產、樓宇消防、安全警報等方面有一定的借鑒意義。

［1］李正民，張興偉．基于ZigBee技術的無線智能安防系統的設計［J］．計算機與現代化，2012（9）：97-100，105．

［2］王永春．ZigBee技術在智能家居中的應用［J］．智能建筑與城市信息，2009（1）：76-79．

［3］張周，周劍揚，閆沫．ZigBee在智能家居系統中的應用研究［J］．工業控制計算機，2006（12）：7-9．

［4］王小強，歐陽俊，黃寧淋．無線傳感器網絡設計與實現［M］．北京：化學工業出版社，2012：181-212．

［5］李明亮，蒙洋，康輝英．例說ZigBee［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2013：189-240．

［6］王蘊喆．基于CC2530的辦公環境監測系統［D］．長春：吉林大學，2012：4-16．

［7］鄭時春，周燕，雷顯國，等．單片機控制的熱釋電紅外節能照明開關設計［J］．科技創新導報，2014（4）：111-112．

［8］王風．基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現［D］．西安：西安電子科技大學，2012：19-25．

［9］無線龍．ZigBee無線網絡原理［M］．北京：冶金工業出版社，2011：231-305．

［10］寧浩．基于ZigBee的通信機房溫度監測系統［D］．西安：西安電子科技大學，2012：41-58．

［11］黃雙華，趙志宏，郭志，等．Zigbee無線傳感器網絡路由研究與實現［J］．電子測量技術，2007，30（2）：59-61．

［12］明日科技．C＃從入門到精通［M］．3版．北京：冶金工業出版社，2012：150-300．

Design of the library environmentmonitoring system based on ZigBee

SUNJiurui，SUNXiaochen
College of Electronics，Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China

In order to improve the quality of the library reading environment，a library environmentmonitoring sys-tem based on ZigBee was presented in this paper．A CC2530 chip of TIwhich is used as the core，together with a host computer，the CC2591 and some sensors compose the hardware platform of the system network．The terminal nodes collect information of the library，such as temperature，humidity，light intensity，smoke and people．Accord-ing to the Zigbee protocol，thewireless communication network is built to send data to the coordinator node，the co-ordinator collects the data through its nodes and then send data to the host computer by the serial port communica-tionmeans．The data are analyzed，displayed，and processed by the PC software．The system can not only realize the real－timemonitoring ofmultiple data，and warning of abnormalsituations，butalso implement the regulation by the operation of the administrator．

environmentmonitoring；sensor；ZigBee；wireless communication network；host computer

TP216

A

1009-671X（2015）03-049-06

10．3969／j．issn．1009-671X．201409001

2014-09-03．

日期：2015-04-20．作者簡介：孫九瑞（1989-），男，碩士研究生．通信作者：孫九瑞，E-mail：skdsjr＠126．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150420．1012．001．html