基于ZigBee的實驗室安全監控系統設計

曹海洋　靳晟　乃比·巴瑞　艾力卡爾·艾尼瓦爾

摘要：為了實時獲取實驗室內環境數據并且能夠遠程實時監測預警，科學高效地對實驗室內進行管理，該文設計了一套以ZigBee為核心開發板的遠程數據采集與控制的實驗室智能安全監控預警系統。該系統利用物聯網技術，實現了對實驗室內傳感器所采集的數據進行信息智能化整合，通過HTTP協議將整合的傳感器數據發送OneNET云平臺上，通過云平臺中遠程監控實驗室內環境。該系統將實驗室內環境數據科學化、信息化，有效地減少了人工手動到現場對實驗室安全進行檢測的時間，也減少了實驗室可能發生的意外情況，實現了實驗室遠程監測的科學化、信息化管理。

關鍵詞：云平臺；ZigBee；實驗室安全；嵌入式開發

中文分類號：TP311.1? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0101-03

1 引言

實驗室是科研和教育的一個關鍵部分，是教學、培養的一個主要場所。對智能化監測提出了更高的需求。同時，作為智能化監測的一種，實驗室的綜合性監測系統也將發揮更大的功能。

由于區域間的發展水平和使用者對綜合監測的要求各不相同，因此建立了一種既完備又靈活的綜合實驗室監測體系，尤其是采用了網絡技術，使其運行更加方便；在此基礎上，進一步完善了實驗室的一體化監測體系。

采用多種傳感器，對室內溫度、濕度、CO2濃度、水位等進行實時監測；通過電力等參數的采集，并將所獲得的各種參數及所獲得的資料進行數字轉化、整理，并通過傳送網將其實時上傳至OneNET平臺；根據實驗室的技術指標，進行了實時監控和報警，達到了科學化、信息化的目的，降低成本和人員損耗。

2 系統總體設計闡述

本文圍繞實驗室內環境進行深入探究，按照實用、可靠、有效的原則，使用近幾年新出的無線通信技術——ZigBee 技術[1]，如圖1可見，該系統由ZigBee協調器、ZigBee終端和PC主機組成，實現了實驗室的遠程監控。ZigBee終端通過使用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、水位傳感器等傳感器對實驗室內環境的空氣溫濕度、CO2濃度、水位情況等數據進行實時獲取，將獲取的數據傳給ZigBee協調器，之后通過ESP8266模塊連接OneNET云平臺，并將數據顯示在OneNET云平臺中的數據可視化大屏中，對火焰、水患、電力等突發情況監測并報警，實現監控管理信息化，通過對各類傳感器情況的監測，保障實驗室內無突發意外情況，在OneNET云平臺中對實驗室實行遠程監測。通過科學化的管理，實現智能化的實驗室監管，有效控制成本，減輕人力資源，有效地減少了突發情況所帶來的損失。

2.1 移動網絡通信

實驗室內部的各類傳感器實時采集室內的溫濕度、水位、CO2濃度、電流等參數通過ESP8266發送至各ZigBee節點所建立的WebServer中，ZigBee啟用無線終端模式連接WIFI。客戶端ZigBee通過HTTP請求依次訪問各節點的WebServer，并將各節點傳感器參數整合通過HTTP協議接入中國移動OneNET平臺，將采集到的傳感器參數發送至OneNET平臺，將各參數通過OneNET數據可視化view3.0展示在智慧大屏中，如圖2所示。通過對數據的分析在智慧大屏中下發命令實現對實驗室內安全提供預警作用（如：水位過高報警；CO2濃度過高報警;溫度過高報警）。

2.2 局域網通信

各節點ZigBee建立WebServer，使用HTML語言設計網頁，局域網內用戶可通過瀏覽器訪問ZigBee所建立的WebServer實時獲取各類傳感器數據，在所建立的WebServer中獲取實驗室內各傳感器所獲得的參數，如圖3所示。

3 硬件詳情與功能應用

基于ZigBee的實驗室智能安全監控預警系統實時采集實驗室內部的環境，并對異常情況發出警報，避免危險狀況發生。本系統通過溫濕度傳感器采集室內溫濕度情況，與煙霧傳感器所采集的煙霧情況配合，判斷是否發生火災，如果發生火災等情況則會發出警報，提醒工作人員前往查看。通過水位傳感器監測室內有無漏水情況，避免出現漏電損壞線路等情況。本系統通過ESP8266模塊，在OneNET平臺上展示所采集的數據，工作人員通過上傳的數據來監測實驗室內的各種情況，并根據所獲得的實驗室內各項數據，對實驗室進行管理。

3.1 ZigBee

在 IEEE802.15.4中，ZigBee采用了Mac層和PHY層。本協定所述技術是低功耗和低成本的雙向無線通訊技術。該產品適用于自動化及遙控等行業，能夠在多種應用場合中實現 GPS定位。

在ZigBee網絡節點中，使用到了ZigBee終端和ZigBee協調器，ZigBee終端用來傳數據，將實驗室內的溫濕度、CO2濃度、水位、電流等數據，將數據返回給ZigBee協調器。協調器相當于網關，是ZigBee網絡整體的核心，ZigBee終端所采集到的數據將會返回給協調器，由協調器啟動并連接網絡。

終端節點所采集的數據可以與協調器之間進行通訊，兩個終端節點不能直接進行聯系。如果兩個終端節點需要進行通訊聯系，需要借助協調器節點進行聯系，這樣兩個終端節點之間才可以進行相關信息的獲取和轉發操作[2]。

使用ZigBee網絡有很多優勢，例如低成本、低功耗、短時間延遲等，在實驗室這個環境下，只需幾個ZigBee終端設備就能采集大部分數據，成本較低，且只需要兩個5號電池就能工作6到24個月，甚至更長時間。

在ZigBee網絡中，使用了四個ZigBee終端來進行各項數據的模擬量采集，之后將采集的溫濕度、CO2濃度、水位等數據通過天線發送給ZigBee協調器，并通過ESP8266模塊連接并發送至OneNET云平臺，將實時得到的數據展示在可視化界面中，便于工作人員對實驗室內情況得到更好的了解，提高了實驗室的安全性，也提高了對實驗室的監管能力。

3.2 水位傳感器

水位傳感器是一種能感受水溫水位的傳感器，并且將感受到的水溫水位轉變成變化的電信號。將水位傳感器放置于實驗室內暖氣附近，用于檢測暖氣是否有漏水的情況，并將獲得到的水位信號發送到PC端，PC端將測得的水位信號與固定值地平面做出比較，如果水位超出地平面，就判定為實驗室有漏水情況，則會發出警報，讓工作人員檢查實驗室內情況，保證實驗室不會因為漏水而引發漏電的情況。

3.3 溫濕度傳感器

本次使用了DHT11溫濕度傳感器，它的精度較其他溫濕度傳感器來說，算是比較出色的一類。通過溫濕度傳感器與ZigBee終端連接，進行對實驗室溫濕度的采集，之后在OneNET數據可視化界面展示，方便工作人員進行檢查，減少意外的發生。

3.4 煙霧傳感器

煙霧傳感器通過監測煙霧濃度，判斷火災發生的情況。內部采用了光電感煙器件，在實驗室、倉庫、家中等進行火災安全檢測。煙霧傳感器內置蜂鳴器，檢測發生火災時可以發出報警聲響。在實驗室中，如發生火災，室內產生的煙霧被煙霧傳感器檢測，傳感器發出響聲，讓工作人員能夠反應過來并前去查看情況，預防更大的損失產生。

3.5 ESP8266

ESP8266是樂鑫公司為物聯網專門開發的低成本、低功耗WiFi芯片。它具有無線上網功能和強大的處理能力。

ESP8266作為主要的MCU，不需要與其他單片機一起使用。它可以使用ESP8266的GPIO端口功能來收集數據和發送控制信號。接收端的ESP8266使用無線互聯網功能與OneNET平臺建立網絡連接，并將數據上傳至OneNET[3]。

本系統通過ESP8266模塊將ZigBee上各傳感器所獲得的數據，上傳至OneNET平臺，將各參數通過OneNET數據可視化view3.0展示在智慧大屏中。

3.6 信號放大電路

為了檢測電路中是否有電流通過設立了兩個方案。

電流互感器：電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側繞組匝數很少，串在需要測量的電流的線路中。通過將線路中的火線穿過電流互感器來檢測電流，通過使用DCDC變換器，將電流互感器所能承受的電流固定在5A，之后通過電流互感器檢測線路中是否有電流通過，但是因為實驗室的電路一般都安放在墻體里，而且穿線也有一定的用電危險，所以換了另一種方法。

信號放大電路：在測量控制系統中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。構造了一個簡單的放大電路來放大可能出現的微弱電流來判斷線路中是否有電流經過。通過兩個線圈[4]與電場附近的磁場相互作用，產生了一個微弱的電流，通過串聯幾個三極管來將微弱的電信號放大來檢測是否有電流通過。

4 ZigBee+PC接入OneNET平臺詳細

圖4為ZigBee+PC接入OneNET平臺。

4.1 創建產品，添加設備

將ZigBee+PC接入OneNET平臺，理論如圖4所示，首先進入OneNET平臺多協議接入，添加產品并完善信息，選擇接入方式為HTTP協議接入，然后再為產品添加設備，完善產品信息，記住產品ID、設備ID。

4.2 開發環境搭建

1） 下載IAR IDE：https：//www.iar.com/iar-embedded-workbench/。

2） 選擇IAR IDE語言。

3） 安裝驅動。

4） 激活軟件。

4.3 連接WIFI

使用WiFi.begin（ssid， password）函數，ssid設置為WIFI名稱，password設置為WIFI密碼。

4.4 連接OneNET云平臺

client.setServer（mqtt_server， 6002），使用6002端口設置客戶端連接的服務器，連接OneNET的服務器。

client.connect（mqtt_devid， mqtt_pubid， mqtt_password），客戶端連接到指定的設備和指定的產品，同時輸入鑒權信息。mqtt_devid設置為ONENET中的設備ID，mqtt_pubid設置為產品ID，mqtt_password設置為產品的鑒權信息[5]。連接成功后，可以登錄OneNET查看產品是否在線。

5 結束語

為了對實驗室進行更有效、更方便、更安全的監測，設計了基于ZigBee的實驗室智能安全監控預警系統，在科學技術的不斷發展中，對于實驗室的安全更加重視，本系統采取了價格更低，安全性更好的一套方法，可以實現對實驗室實時監測并預警的功能，省時省力。經過調查，大多數實驗室所受到的災害無非火災、水災、漏電等情況最為嚴重，通過此系統的實現，可以實時觀察實驗室內情況，減少意外情況的發生，并且在發生意外情況時發出預警以減少更多不必要的損失。結合日益發展的物聯網技術，本系統實現了在移動網絡中通信和局域網中通信，對實驗室環境數據的實時獲取。此外，本系統的價格低廉，穩定性也有所提高的同時，功耗也更低了，有很大的發展前景。

參考文獻：

[1] 馮偉，彭力.基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監控系統[J].現代電子技術，2021，44（3）：11-15.

[2] 石瑛.基于ZigBee與WiFi深度結合的智能家居系統的研究與設計[D].南京：南京郵電大學，2019.

[3] 張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺的遠程報警系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，17（12）：64-67.

[4] 馬興忠，蹇桂花.磁生電演示實驗的改進[J].科學咨詢（科技·管理），2020（6）：131.

[5] 李小珊.一種基于OneNET物聯網的電梯數據遠程監測系統[J].中國電梯，2021，32（19）：13-15.

【通聯編輯：梁書】