基于ZigBee的实验室远程监测系统设计

基于ZigBee的实验室远程监测系统设计周旋u，谌建飞u，赵丹杜亚兰u，唐立军u(1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114;2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙410114)摘要:实验室智能监测手段的缺失使安全事故难以及时发现，同时实验室环境对远程实验的 操作过程和实验结果具有很大的影响，需要对其进行有效监测并对险情进行报警。

文章针对实验 室环境监测及安防的需要，设计一个基于Zigbee的实验室远程监测系统，该系统由数据采集模块、远程通信模块和W eb应用模块三部分组成，可以实现对实验室内温湿度、光强、火焰、有害气体浓 度和人员入侵等数据的实时监测和险情报警。

系统测试表明，该系统实时性强、监测全面、智能化 程度高，能有效解决实验室环境监测问题。

关键词：远程实验室；环境监测；传感器；ZigBee中图分类号:TP315 文献标志码:A文章编号=1673-8454(2017)04-0084-05远程实验技术是信息化教育中较难解决但又必须 解决的问题。

由于许多实验在进行的过程中对环境有特 殊要求，比如光照度、温湿度等对实验操作过程和实验 数据有很大影响「1],同时实验室智能化管理的缺失导致 其安防成为一个不容忽视的问题,而目前对于远程实验 中实验室环境监测及安防方面的研究还比较少[2暂,现如今国内大部分高校实验室采用的管理和监控方案中，建 置和维护成本较高,系统的灵活性和扩展性较差[3,4]。

针对这个需求,本课题研究一个基于多种传感器数 据采集、ZigBee组网、以太网通信和Web应用的实验室 远程监测系统。

该系统能够对实验室温度、湿度、光照强 度、空气中有害气体的浓度和人员人侵等数据的实时监 测和险情报警，为减少远程实验中环境对实验操作以及 实验结果的影响和在实验室安全性和智能化管理方面 提供可行的解决办法。

―、系统总体框架为了实时监测实验室环境状况并及时险情报警，减 少实验环境对远程实验操作和结果的影响，该系统所应 具备的功能有院①实时监测实验室内温湿度、光照强度、火焰、有害气体浓度和人员人侵等。

②数据采集节点布 置灵活和扩展性强，以无线通讯方式进行数据传输。

③ 管理员可远程管理实验室并实时查看实验室环境状态 和历史数据。

④管理员可远程设定温湿度、光照强度和 *有害气体浓度报警上下限和开启人员人侵和火光检测，实现实时报警并记录报警日志。

根据以上需求分析，对远程实验室环境监测系统的 总体框架进行设计，该系统分为数据采集模块、远程通 信模块和Web应用模块。

系统总体框架如图1所示。

图1系统总体框架图数据采集模块实现对实验室内温湿度、光照强度、火焰、有害气体浓度和人员人侵等数据的采集。

该模块 由中央处理节点'路由管理节点和多种传感器组成，中央处理节点和路由管理节点是由基于CC2530芯片的 ZigBee模块构成，传感器包括温湿度传感器、光照传感 器、气体传感器、火焰传感器以及红外线传感器,传感器 数据传输采用ZigBee组网，将数据通过中央处理节点 直接或路由管理节点间接传给远程通信模块。

远程通信模块实现将中央处理节点接收到的数据 转发至Web服务器，该模块的核心是一个支持以太网 通信的STM32单片机，数据采集模块的中央处理节点*项目基金：国家科技支撑计划课题(2014BAH28F04),湖南省教育厅科学研究项目（14C0031，15K009)。

与STM32单片机之间采用串口通信，STM32单片机与Web服务器采用基于TCP/UDP的网络通信方法[6,71。

Web应用模块由W eb服务器和数据库服务器组成，用于对实验室环境数据的存储和处理，实现实验室环境状况实时显示、历史记录查询和险情报警，并支持多种客户端访问。

二、系统设计1.数据采集模块设计图2传感器端程序设计流程图数据采集模块是用来采集实验室环境数据，通过 ZigBee组网通信经过路由器节点间接或中央处理节点 直接发送至远程通信模块，该模块由中央处理节点、路 由器节点和多种传感器(温湿度、气体、光照、火焰、人体 红外）组成。

中央处理节点与路由器节点都采用基于 CC2530芯片的ZigBee模块，中央处理节点下载中央处 理节点程序，充当对外数据交换的总结点，路由器节点 下载路由器程序，充当路由器用作通信中继点，另外每 个数据采集节点也都由基于CC2530芯片的ZigBee模 块搭载相应传感器组成。

温湿度数据采集采用SHT11传感器，温度采集精 度可达到±0.5益，湿度采集精度可达到±3.5%RH。

气体浓 度数据采集MQ-2传感器，该传感器对氢气、丙烷、液化 气、天然气以及其他有害蒸汽具有很好的检测灵敏度，其检测浓度范围为300-10000ppm。

光照强度数据采集 采用GY-30传感器，该传感器对光谱的反应时间大约 与人眼的反应时间相等，具有宽范围、高分辨率、光噪声 抑制功能，可对白炽灯、卤素灯、荧光灯、白灯以及阳光 的光照度进行监测，光学可调范围为0.11lx~100000ki4i，小测量变差为±20%，红外线的影响非常小。

火焰检测采 用基于红外接收的火焰传感器，检测火焰波长在760纳 米耀1100纳米范围内，探测角度在60度左右，对火焰光 谱的检测尤其灵敏，且灵敏度可调，火焰越大测试距离 越远。

人员人侵检测采用热释电红外人体传感器，能检 测到方圆20米范围内活动的人|91。

数据采集模块程序设计分为传感器数据采集节点 和collectorEB-PRO(中央处理节点/路由器节点），传感 器数据采集节点包括传感器数据读取和无线通信传输，传感器数据采集节点程序设计流程如图2所示。

首先，把传感器扩展版模块设置成终端节点，然后对传感器进 行初始化，处理终端节点的所有关键事件。

射频模块通 过协议传输确认与父节点取得联系后进行数据传输确 认。

确认数据打包捆绑工作完成后再次确认与父节点的 联系，接收父节点数据发送的指令，完成对异步数据收 发器端口的定义。

开启传感器，传感器通过射频核心板加人网络，开始读取数据并传送至CC2530芯片。

在上 一次采集完毕后，重置传感器，再次采集数据发送至 CC2530芯片进行临时数据存储，最终把累次采集的数 据进行捆绑打包传输至父节点。

collectorEB-PRO的程序模块图如图3所示。

命令 事件处理函数模块的功能是在任务事件启动时被操作 系统调用唤醒。

设备关键事件处理函数模块的功能是处 理中央处理节点或者路由器节点装置的所有关键事件。

开始确认函数模块在系统开始请求操作完成后由zig-bee协议栈回调。

数据发送确认函数模块在系统发送操 作完成后，由zigbee协议栈回调。

绑定确认函数模块在 系统的绑定操作完成后由zigbee协议栈回调。

允许绑定 确认函数模块在另一个设备尝试绑定该节点设备是被 zigbee协议栈调用。

发现设备确认函数模块在传感器数 据米集节点完成发现设备这一操作后，被zigbee协议栈 回调。

数据接收指示模块在设备接收到一个节点设备发 来的数据时，被zigbee协议栈异步调用以通知应用程 序。

系统ping命令接收函数模块的功能是ping命令请 求接收。

建立系统ping响应函数模块的功能是建立并 发送ping响应。

网关报告建立发送函数模块的功能是 建立并发送网关报告。

虚拟报告发送函数模块被用于在 PC GUI上对collector可视化。

FCS和串行消息计算函数 模块的功能是计算的FCS校验和串行消息。

2.远程通信模块设计远程通信模块是转发实验室内传感器数据到远程c o l l e c t o r E B-P R O程序命令事件处理函数模块设备关键事件处理函数模块开始确认函数数据发送确认函数模块绑定确认函数模块允许绑定确认函数模块发现设备确认函数模块数据接收指示函数模块串口回调函数模块系统Ping命令接收函数模块建立系统Ping响应函数模块网关报告建立发送函数模块虚拟报告发送函数模块FCS和串行消息计算函数模块图3 collectorE B-P R O的程序模块图Web服务器的通信核心[8]袁采用STM32单片机来设计远 程通信模块，支持串口通信和以太网通信。

数据采集模 块的中央处理节点与STM32单片机之间采用RS-232 串口通信方式，波特率38400、数据位8尧停止位1尧无校 验位。

STM32单片机与远程Web服务器之间采用基于 TCP传输协议的以太网Socket编程进行通信，将从串口 接收到的数据通过以太网口发送至远端的Web服务 器，TCP传输协议是一个面向连接的运输层协议，传输 数据之前，需要先建立好TCP链接，传输结束后，则释放 该链接，能够有效的保证通信的可靠性110]。

STM32单片机只负责将数据进行转发不进行解释，因此中央处理节点与STM32单片机之间串口通信和STM32单片机与Web服务器之间网络通信的传输数据 格式是相同的，具体见表1。

表1传输数据格式序号占用字节数(字节）传输数据11顿首定界符21帧长32命令类型42源地址52命令ID62接收数据长度72父节点81电压91温度101光照度111湿度121有害气体浓度131人员入侵141火焰信号151陀螺仪X方向161陀螺仪Y方向171陀螺仪Z方向181帧校验序列3.W e b应用模块设计Web应用模块接收来自通信模块转发的实验室数 据，对其进行解释实时推送到浏览器客户端，并将其保 存到数据库中。

另外还提供管理功能和报警功能，即管 理员在线管理实验室、历史记录查询、实验室实时状况 查询和系统超出上下限时自动险情报警，Web应用模块设计包括数据库设计和功能模块设计。

(1)数据库设计系统的数据库主要包括以下两个方面的内容：实验室的基础信息:每一条记录代表一个实际的实 验室，用于存储和唯一标识对应实验室，管理员可以进 行创建、修改、删除和查看操作，对其进行管理。

实验室的环境参数信息：包含实验室所要监测的 各类环境参数如温湿度、光强、火焰、有害气体浓度和 人员人侵等信息，方便管理员实时查看最新数据和历 史数据。

数据库采用Oracle公司的MySQL数据库，下面将 分别介绍系统的主要数据表，表2为实验室信息表，表 3为实验室环境参数表。

表2实验室信息表序号字段名数据类型是否允许为空字段名称备注1LabID int否实验室ID主键2LabName nvarchar(256)否实验室名称3Oitegory nvarchar(256)否分类名称4Functionary nvarchar(64)否负责人5IsPublic bit否是否开放6Description nvarc h ar(M A X)是实验室描述表3实验室环境参数表序号字段名数据类型是否允许为空字段名称备注1LabEnvID int否环境参数ID主键2LabID int否实验室 ID外键3Temperature float否温度4Humidity float否湿度5IlluminationGenre float否亮度6Concentration float否有害气体浓度7HasFire bit否是否发生火灾8HasSomeoneInlab bit否是否人员入侵9CreateTime datetime否创建时间通过对系统数据进行字段分析与设置相应的约束，并通过定义主从键对表与表之间进行关联，完成数据库 功能设计。