基于GPRS和Zigbee的遠程實驗室安全管理系統設計

韓團軍，尹繼武，張攀飛，鄭 旭，鄭爭兵

基于GPRS和Zigbee的遠程實驗室安全管理系統設計

韓團軍，尹繼武，張攀飛，鄭 旭，鄭爭兵

（陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000）

針對當前高校實驗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的遠程實驗室安全管理系統。該系統利用檢測終端對多個實驗室互聯，并對其環境各種信息量進行自動檢測，對檢測得到的數據進行分析處理、顯示以及超閾值報警及自動對火災現象滅火等。經實驗測試，該系統能夠實現實驗室安全環境數據的實時監測，提高了實驗室安全管理的信息化程度，可以滿足各個高校的實驗室安全需求。

遠程實驗室；Zigbee組網；互聯網；服務器

近些年，隨著高校實驗室建設能力加大，實驗室已經成為高等學校的重要組成部分，實驗室安全，已經成為高校和政府部門高度關注的大事。如何利用現在的科技手段快速、有效地發現安全隱患并能將隱患自動排除，已經成為實驗室和科研人員研究的重點。傳統的實驗室監測裝置較為簡陋，通過有線方式或者以本地方式進行檢測。實驗室管理人員的工作量大，整個系統操作不方便，如果工作人員疏于管理或者科研人員錯誤操作，就會發生一些不安全事故，同時事故不能及時自動排除。本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的遠程實驗室安全管理系統，該系統利用現有的物聯網技術，檢測終端對多個實驗室互聯并對其環境各種信息量進行自動檢測，對檢測得到的數據進行分析處理、顯示以及超閾值報警、自動對火災現象滅火等，整個系統能夠實現實驗室環境各種參量的實時監測和自動排除危險的功能。

1 系統的硬件設計

整個系統主要由4個部分構成：終端傳感器對各監測點數據的采集、多終端Zigbee和協調器Zigbee相互通信、GPRS模塊將打包的數據上傳至阿里云服務器、遠程客戶端上位機軟件。其中終端主控STM32單片機通過接口控制其傳感器對其溫濕度、煙霧濃度、火焰等外界環境的信息進行采集，獲取參數并顯示在OLED液晶屏上。多個終端Zigbee進行多實驗室的互聯，并將獲得的信息通過協調器Zigbee發送至主控制器STM32單片機上。協調器Zigbee接收到的多終端數據以通過串口方式將其發送至主控單片機STM32,主控芯片又啟動GPRS模塊將數據包上傳服務器上位機軟件進行數據包的解壓、分析、實時顯示、保存等功能。上位機又可通過數據的下發來控制終端繼電器的開關來實現遠程緊急斷電和滅火等功能。協調器和GPRS傳輸數據并上傳至云平臺，總系統硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 整個系統的硬件框圖

1.1 系統電源模塊設計

系統采用5 V和3.3 V兩種電源電壓為不同模塊進行供電。5 V電壓采用LM2940穩壓芯片進行設計，該芯片具有輸出電流大，最大可達1 A，輸出電壓范圍較寬，最大輸出電壓為26 V，在–40~+125 ℃溫度范圍內工作比較穩定，其內部含有靜態電流降低電路過熱保護、輸入電源反接保護電路。系統所需+3.3 V電壓采用穩壓芯片AMS1117-3.3將設計好的+5 V電壓轉化為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LED指示燈顯示供電狀態提醒。整個系統的電源設計如圖2所示。

圖2 整個系統的電源設計圖

1.2 無線模塊電路

無線模塊分為Zigbee通信模塊和GPRS遠程數據傳輸模塊。系統中終端監測部分與主控制器之間相互組網采用Zigbee模塊。Zigbee模塊采用CC2530F256RHAR芯片進行設計，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，點對點通信可實現0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發射功率為20 dBm，芯片中集成了一塊CC2591功放，可測試距離達1000 m以上。Zigbee電路設計如圖3所示。

GPRS模塊采用SIM800C，是一款四頻GSM/ GPRS模塊，體積小巧，性價比高，工作性能穩定，工作頻段GSM/GPRS850/900/1800/1900 MHz，可以在低功耗下實現SMS、語音數據信號傳輸。GPRS模塊在系統中作為協調器和服務器之間的橋梁，將采集的數據上傳至云平臺。設計中使用模塊的TTL電平串口通信連接方式進行數據的傳輸，采用12 V 1 A電源供電源適配器，其最小系統電路如圖4所示。

1.3 傳感器電路設計

多傳感器有溫濕度傳感器，煙霧、氣體傳感器，火焰傳感器和繼電器遠程端控制電路。溫濕度傳感器采用Sensirion公司生產的SHT30，該產品體積小、可靠性高、性能長期穩定、功耗低、采用IIC通信，非常適合應用于復雜環境溫濕度監測。該傳感器溫度測量精度可以達到0.01 ℃，濕度精度可達0.03% RH，溫度測量范圍為–40~125 ℃，濕度測量范圍為0%~ 100% RH，能夠滿足本系統的需求。設計電路如圖5所示。

煙霧、氣體采用MQ-5型傳感器，通過對傳感器添加加熱器電壓和測試電壓即可將電導率的變化轉換成該氣體濃度相對應的輸出電壓幅值。調節電位器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和模擬量雙路輸出。電平信號可連接單片機中斷，當待測氣體的濃度達到閾值時，觸發單片機響應。模擬量輸出電壓與濃度的高低為線性關系，電壓越高則濃度越高。煙霧氣體傳感器電路設計如圖6所示。

圖3 Zigbee電路設計圖

圖4 GPRS最小系統電路圖

圖5 溫濕度傳感器電路圖

圖6 煙霧氣體傳感器電路圖

繼電器模塊系統使用5 V供電模塊，電路設計上直接使用三極管提供驅動。在實際電路中注意在繼電器的電源端一定要反接一個二極管，同時最好在靠近繼電器的電源端接入1000 uF以上的電容，以增強電路的穩定性。利用繼電器，在現代家居生活中可以連接多種家用電器實現自動控制和遠距離控制，具有很高的實用性。設計電路如圖7所示。

圖7 繼電器控制電路圖

2 系統軟件設計

整個系統的軟件設計可以分為終端檢測節點、協調器匯總節點和上位機軟件設計。

2.1 終端檢測節點軟件設計

終端檢測節點包括各個采集模塊傳感器的初始化程序、采集到的數據進行處理分析以及通過Zigbee無線傳送的通信子程序。系統首先上電復位執行操作，然后執行數據的采集，溫度采集模塊SHT30和STM32之間通過IIC總線通信，MQ-5氣敏煙霧傳感器的數據通過STM32內部ADC模塊讀取，火焰傳感器的5路數據直接由單片機IO口讀取高低電平。最后將采集到的數據進行分析處理、校正計算，得到實際的結果值通過STM32單片機串口控制的Zigbee模塊將此數據傳送至協調器匯總節點。程序流程圖如圖8所示。

圖8 終端數據采集發送軟件流程圖

2.2 協調器匯總節點軟件設計

協調器匯總節點包括STM32單片機、Zigbee通信模塊和GPRS無線發送模塊。Zigbee模塊由STM32控制器UART3控制，負責接收終端發送過來的數據包并進行數據校驗、分析處理。GPRS模塊與STM32控制器UART3之間進行通信，是將分析后重新打包的數據通過此串口發送給云平臺。其程序流程圖如圖9所示。

圖9 數據接收和無線傳輸軟件流程圖

2.3 上位機軟件開發程序設計

系統的上位機軟件采用Visual Studio 2010開發平臺完成，該平臺操作方便，通過對控件和庫的調用來實現控制數據界面。服務器和上位機是通過TCP協議通信。用戶可以根據自己的檢測數據和要求進行定義端口。整個系統上位機軟件主要由4部分組成：軟件參數設置模塊、遠程緊急開關的設置模塊、原始數據接收及顯示模塊、數據處理及繪圖模塊，詳細模塊功能如圖10所示。

圖10 上位機開發軟件功能圖

3 系統測試與分析

3.1 系統的測試終端

對整個系統進行整體軟硬件設計，得到了整個GPRS和Zigbee的遠程實驗室安全管理系統。為了驗證整個系統的可靠性和準確性，設計中模擬了安全管理實驗環境測試平臺，首先準備好2個監測終端，協調器匯總節點和測試電腦1臺。將2個監測終端分別放入相鄰的2個實驗室中，并將協調器匯總節點隨機放入其中一個實驗室中，進行系統的實際測試。安全管理系統實物終端圖如圖11所示。

圖11 遠程安全管理系統實物圖

3.2 監測數據采集及分析

整個系統搭建成功后，對模擬的終端通過人為改變外界環境來觀察此系統監測的數據變化情況。對各個檢測點進行可靠性分析，觀察上位機數據的變化和做出相應的記錄，證明系統的正確性。上位機開發界面數據顯示如圖12所示。

通過監測系統對環境數據的采集，不同時刻的溫、濕度數據如表1所示。由上面數據可以看出監測系統測量的溫、濕度數據和實際數據基本一致，符合監測系統需求。

同時，可以通過遠程控制部分點擊上位機界面上的控制緊急按鈕，觀察到終端監測點上響應的繼電器開關已經打開，并且控制的滅火裝置和緊急斷電裝置已經正常工作，并可觀察到火焰靠近傳感器時遠程客戶端的上位機火焰標志已響應，本地蜂鳴器報警已打開，繼電器控制其噴水裝置已經正常工作以及模擬的照明系統的電源也已經斷開。證明了整個系統工作正常。

圖12 上位機界面數據顯示狀態圖

表1 溫濕度監測數據

4 結語

本文設計了一種基于GPRS和Zigbee的遠程安全管理系統，完成了整個系統的軟硬件設計。Zigbee組成的無線通信網絡將傳感器檢測到的數據通過串口發送和接收匯總并處理分析，采用GPRS互聯網技術將匯總的數據重新打包完成的數據，上傳至阿里云服務器平臺進行顯示和保存。整個系統網絡結構簡單，工作穩定可靠。

[1] 丁江江，李娟莉，王學文.基于ZigBee和GPRS融合的礦井提升設備狀態監測系統設計[J].中國煤炭，2019, 45(2): 69–74.

[2] 李大海，張亞超，陳素.基于ZigBee和GPRS技術的油田抽油機無線數據采集傳輸系統[J].儀表技術與傳感器，2018(11): 93–96, 100.

[3] 白聰，王宜懷，司蕭俊.基于KW01-ZigBee+GPRS的無線氣象監控系統的設計與實現[J].現代電子技術，2017, 40(18): 70–74.

[4] 項亞南，蘆俊，戴晨曦，等.基于物聯網的新型浮力窨井研究與開發[J].給水排水，2019, 55(2): 129–133.

[5] 張瀚中，曹江濤，邵鵬飛，等.基于WSNs的溫室大棚智能灌溉控制系統設計[J].控制工程，2019, 26(1): 108–113.

[6] 劉旭明，王偉.基于遺傳算法優化的支持向量回歸的室內定位算法[J].科學技術與工程，2019, 19(2): 114–119.

[7] 韓團軍.基于WiFi與ZigBee的山區農田環境監測系統研究[J].現代電子技術，2019, 42(2): 14–17.

[8] 黃一才，李森森，鮑博武，等.面向ZigBee網絡節點安全定位的消息簽名方案[J].電子與信息學報，2013(3): 1–7.

[9] 李畸勇，胡恒，張航，等.基于ZigBee網絡的電工實驗臺智能保護系統設計[J].實驗技術與管理，2018, 35(12): 156–160.

[10] 白璐，王然風.基于RSSI井下人員定位Trilateration-GSA算法研究[J].煤炭工程，2018, 50(12): 123–126.

[11] 韓團軍.基于Wi-Fi與GPRS的遠程生理參數測試系統設計[J].實驗室研究與探索，2018, 37(03): 65–69.

[12] 趙馥琳，韓博，李緒泉.大數據時代下基于ZigBee和數據挖掘技術的空調測控系統[J].青島理工大學學報，2018, 39(6): 81–84, 108.

[13] 何春雨，金家善，孫豐瑞.基于LINGO軟件的艦船裝備修理級別優化分析[J].上海交通大學學報，2011, 45(1): 78–82.

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

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

韓團軍（1981—），男，陜西乾縣，碩士，講師，研究方向為集成電路設計與分析。E-mail: htjzyh@163.com