基于ZigBee的智慧校園安全監管系統的設計

張鳳英

摘要

現如今，學校有了以有線通信為基礎的安防系統，但是其運行成本較高，靈活性差，基于此，本文設計基于ZigBee的智慧校園安全監管系統，首先介紹什么是ZigBee及其構成，接著介紹本設計用到的主要器材，溫度傳感器LM35DZ和煙霧傳感器MQ-2，然后介紹安全監管系統的設計過程和安全監管系統實驗前的準備工作，最后闡述具體實驗過程及實驗結果，僅供參考借鑒。

【關鍵詞】安全監管系統 溫度傳感器 煙霧傳感器

學校的安全監控工作一直是學校建設的重點內容，目前市面上的安全監管系統一般采用有線通信，安裝成本較高，布線也比較復雜，學校在安裝過程中會考慮到資金有限，人力不足，而選擇減少安裝，使得學校的安防系統存在盲區。而在無線技術發達的今天，將無線傳感技術與監控系統完善結合就成為了研究學者關注的嶄新研究項目。

1 ZigBee及其構成

ZigBee被稱為紫蜂協議，來源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂在飛翔時會發出嗡嗡的聲音，以此與同伴傳遞信號，告知同伴花粉所在位置。紫蜂協議的發展是在IEEE802.15.4基礎上，延續了低功耗局域網協議的特點，是一種近距離的無線通訊技術。ZigBee具有傳輸距離短的優點，功率消耗較低。ZigBee成立于2001年8月份，創始人是Chipcon、Atmel、Helicomm，成立三年后推出第一個比較規范的版本ZigBeeV1.0，這個版本是單芯片獨立工作的系統，在后來的幾年間，工作人員經過不斷完善改進，形成了不同功能的協議棧，由物理層、介質訪問層、網絡層、應用層四個部分構成，不同層之間的協作由“原語”來完成，各協議棧能夠相互交流信息，通過有效的相互協作，使得整個系統正常運作。

2 主要實驗器材

2.1 溫度傳感LM35DZ

在本次設計中采用溫度傳感器的型號是LM35DZ，它具有構造簡單、成本低、可隨意編程的優點。溫度傳感器LM35DZ傳出的模擬信號是電壓和攝氏度，二者之間呈線性關系。本次設計中從LM35DZ多種封裝形式中選出晶體TO-92式封裝，是一種塑封三極管，之所以被稱為三極管是因為它有三個引腳，分別為VCC、模擬輸出、GND，其中GND代表的是地線或者是零線。晶體TO-92式封裝體積小，在安裝時只需將杜邦線和主板相連，所以具備安裝較靈活的特點。由于電壓與溫度呈線性關系，所以根據電壓就可以計算出溫度，二者之間的轉換公式為Vout（T）=10m）/℃×T℃，Vout代表的是電壓，T代表的是溫度。在配置中設置如下代碼：int val;int dat;va=analogRead（0）;da=（125*val）>>8;這組代碼可以在溫度傳感器檢測到端口電壓值之后，計算出對應的溫度。本次實驗主要應用于各個化學教室、教學樓、學生宿舍。根據溫度傳感器的特性，各個室內空間的溫度不宜過高，這樣只需測得的溫度達到60度即可判定發生火災。溫度傳感器LM35DZ可監測的溫度范圍是0℃～100℃，這是完全滿足實驗需求的。就成本來看，溫度傳感器LM35DZ的價格只有幾元錢，所以該選擇很合理。

2.2 煙霧傳感器MQ-2

除了溫度傳感器外，該設計還需要用到煙霧傳感器，煙霧傳感器的選擇要能夠對化學實驗室經常使用的易燃物品、易爆物品、有毒氣體有所識別。所以該實驗選擇MQ-2，MQ-2除了能夠感知以上危險物品外，還能夠探測到氨氣和液化氣。它的構件包括測量電極、微型陶瓷管、敏感層、加熱器。微型陶瓷管的材料是AL₂O₃，敏感層的材料是SnO₂。MQ-2處于封裝好的情況下時有6個引腳，在使用前的電流加熱過程會用到兩個引腳，其余4個引腳的主要作用是輸出處理后的信息。MQ-2在工作時接入的電壓范圍要控制在0～24V，在使用前要給煙霧傳感器加熱，加熱的電壓要控制在5V左右，上下誤差不可超過0.2V，以防止內部信號線由于電壓誤差過大而熔斷，進而防止內部元件損壞。煙霧傳感器MQ-2可檢測的煙霧濃度范圍是100-10000PPm。半導體氣敏元件的材料是SnO₂，這種材料在空氣中電導率較低，使用壽命長，具有較強的耐腐蝕性，所以穩定性也較強。另外氣體的化學反應過程是可逆的，而且反應和恢復的時間較短，所以元件可長時間多次使用。MQ-2構件結構簡單，機械性能較好，造價成本較低。當空間中出現煙霧，SnO₂就會受到影響，材料上的晶粒會發生變化，表面的導電率會隨著產生相應變化。借助這一特點，即可測得空間中是否出現煙霧，監測火災的發生。煙霧的濃度與導電率成正比，與電阻成反比，根據這一特點可以推斷煙霧的濃度，預測火情的大小。

3 安全監管系統的設計過程

主要設計的內容是完成系統的數據監測，準備的材料是開發板，選擇的型號是CC2530，數量是3個，分別安裝在3個節點上，三個節點的名稱分別為A、B、C。A為監測的數據節點，B為中繼器，C為收集節點。B作為中繼器起到承接作用，將A監測的數據轉發給C，設置中繼器的優點是通過增加節點增加傳輸距離，擴大無線局域網絡的覆蓋面積，增加組網的靈活性。數據的傳輸靠平臺配置支撐節點進行，各個節點能夠通過重新分配調度，改變組網的結構，滿足數據傳輸過程中對距離長短的需要。中繼器的安放位置和數量以及節點的數量都可以適量增加，使得信息收集的更全面完整。A節點的作用是收集數據，通過節點B傳輸給節點C，為了完成這一內容，要對A進行節點設置，采用的編寫語言是Basic，這種編程語言的特點是相對于協議棧來說編寫過程比較簡便輕巧，修改也較簡單，在編寫前將3塊模板連接到PC端，使用軟件IAR Embedded Workbench IDE打開配置代碼，使用仿真器將源文件夾中的代碼轉移到A中，為了使信息準確無誤，在轉移前要按下仿真器的復位按鈕。同樣的操作在B、C模板中也要進行，經過仿生之后，打開軟件SSCOM3.2，選擇對應的串口號，將名稱改為A、B、C，并且保證波特率一致，均設置為115200。最后的目的是實現在A的端口輸入字符處輸入需要傳輸的信息，會經過中繼器B傳輸到節點C上。

4 安全監管系統實驗前的準備工作

在進行實驗以前要對安裝好的ZigBee模塊進行檢測，確定溫度傳感器和煙霧傳感器的精度。例如在確定溫度傳感器精度時，使用的設備器皿是燒杯、酒精燈、溫度計，要準備的材料是石棉網、純凈水、透明塑料薄膜。準備透明塑料薄膜的目的是裹住溫度計和溫度傳感器，避免二者與外部環境直接接觸，避免接觸到水，避免水分損壞溫度傳感器。接著要搭建好加熱器材，將純凈水注入燒杯，溫度計校準到零度，將裹著塑料薄膜的溫度計和溫度傳感器同時放入水中。然后在PC端前觀察溫度計和溫度傳感器顯示的溫度變化，當檢測到溫度逐漸增加并且停留在22.7℃，過五分鐘之后，會發現溫度停留在22.5℃，溫度計與溫度傳感器顯示的溫度一致，這時可以斷定溫度傳感器能夠正常使用，且精度滿足要求。

5 具體實驗過程及實驗結果

進行實驗時首先將溫度傳感器和煙霧傳感器接到節點A，然后將節點A的設備放置在距離節點C的100米處，將B節點放置在二者中間，進行這一操作的前提是保證各個節點的正常通信，接著將包裹著塑料透明薄膜的溫度計和溫度傳感器放入盛有純凈水的器皿中，點燃酒精燈進行加熱，觀察蜂鳴器在不同的溫度條件下是否會報警，并詳細記錄。在進行煙霧傳感的試驗中，將煙霧傳感器和煙霧探測儀放入密閉的玻璃罩中，點燃蚊香，A節點監測數據并傳輸到C節點，在C節點連接的PC端觀察，并記錄煙霧數據的變化情況。溫度傳感器的報警溫度設置是60℃，當測得的溫度高于這一設置值時，觸發蜂鳴器報警，煙霧傳感器設置的濃度是100ppm，當煙霧濃度達到這一設置值時，蜂鳴器也開始報警。由此可見ZigBee能夠實現對校園的智能安全監控。該技術實現了對學校設備的安全監控，學校業務的安全監控，幫助學校確立了規范的安全預警系統，使得安全運維人員能夠及時的接收到多個節點的安全預警通知，并做全面的報告統計，為廣大師生提供了優質的安全服務。另外將ZigBee運用在設備安全監控中，幫助設備管理人員詳細記錄設備健康狀態，梳理設備維護流程，確保學校運營系統的正常穩定運行。

6 總結

綜上所述，基于ZigBee設計的智慧校園安全監管系統能夠發揮很好的效果，值得應用在校園安全監控系統中，能夠大幅度減少校園安裝安防系統的成本，減少校園安全監控的盲區，在監測的過程中能夠及時反饋各個節點附近的溫度情況、煙霧濃度情況。所以在智慧校園的統一運維監控服務平臺中，應用ZigBee技術，能夠實現各個模塊業務核心內容的抽取和重組，能夠組建更加智能化的運維服務體系。

參考文獻

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