基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

萬百會(huì)　魏玲　鄧云琛　王國輝

【摘 要】本文設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過控制命令調(diào)控實(shí)驗(yàn)室的溫、濕度，同時(shí)組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)并設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程遙控管理系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并記錄實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)。由于具有良好的擴(kuò)展性，該系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以外的其他類似場(chǎng)合。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；Zigbee；無線網(wǎng)絡(luò)

Research of Laboratory Environmental Monitoring System Based on the Internet of Things

WAN Bai-hui WEI Ling DENG Yun-chen WANG Guo-hui

（School of Electronic Information Engineering Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130022，China）

【Abstract】A set of laboratory environment monitoring system based on the internet of things is designed in the paper，Temperature， humidity and other environmental parameters is monitored in the laboratory， and temperature and humidity of laboratory is controlled through the control command， at the same time， the ZigBee wireless network is set up，and a set of remote management system is designed.The environment parameters is recorded in the laboratory according to the demand of remote control.The system can be used except the laboratory which is similar to other occasions，because of good expansibility.

【Key words】Laboratory environmental monitoring system； Zigbee； Wirelees network

0 引言

近年來，隨著我國高校教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校在校生的數(shù)量不斷增多，從而需要高校的實(shí)驗(yàn)室的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，使之成為培養(yǎng)高校優(yōu)秀畢業(yè)生重要組成部分。研發(fā)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提上日程，目前這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是利用傳感器組網(wǎng)完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的感測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全的監(jiān)控、管理和控制。實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件是實(shí)驗(yàn)正常展開的最重要的保證之一，一般來說，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境主要包括溫度、濕度、光線、空氣凈化級(jí)別等等。通過/采集控制中心，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壞境條件可以適時(shí)的傳送到中央處理系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于系統(tǒng)設(shè)定最高溫時(shí)，中央處理系統(tǒng)會(huì)通過控制實(shí)驗(yàn)室的開關(guān)，自動(dòng)開啟制冷空調(diào)；當(dāng)濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的最低值時(shí)，中央處理系統(tǒng)將自動(dòng)開啟加濕器的開關(guān)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的光線暗于最低值時(shí)[1]，同樣，中央處理系統(tǒng)也可通過傳感器自動(dòng)打開實(shí)驗(yàn)室的燈光或窗簾等采光，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)安全問題時(shí)，如火災(zāi)，漏水，漏氣等，采集控制中心和中央處理系統(tǒng)的互動(dòng)將會(huì)在第一時(shí)間啟動(dòng)消防系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警功能，關(guān)閉有危險(xiǎn)的電力，水力等系統(tǒng)，將險(xiǎn)情在第一時(shí)間得到控制同時(shí)將實(shí)時(shí)信息反映在實(shí)驗(yàn)室管理人員的實(shí)時(shí)通訊設(shè)備例如移動(dòng)電話接口等。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由AT89S52及其總線結(jié)構(gòu)、鍵盤、LCD12864、5V繼電器、聲光報(bào)警、ZigBee模塊、傳感器（包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、紅外熱釋電模塊、光敏電阻小模塊）組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)通過微控制器采集溫濕度信號(hào)、光信號(hào)、煙霧信號(hào)以及輸出一些控制信號(hào)，并通過ZigBee通信模塊將采集的數(shù)據(jù)按照一定數(shù)據(jù)格式傳輸給管理PC機(jī)，在PC中對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集及處理、統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，這些節(jié)點(diǎn)自組織構(gòu)成的無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)將具備感測(cè)、控制、判斷、自恢復(fù)和多元通信等功能。系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息，并作出相應(yīng)的判斷和動(dòng)作，同時(shí)將信息通過ZigBee發(fā)送給管理者或者接受管理者的指令進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系信息無線傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的CC2430為核心的Zigbee控制模塊。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。簡(jiǎn)單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展[2]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)等三種角色。

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee的組網(wǎng)方式如圖2所示，系統(tǒng)中選用星型的組網(wǎng)方式。

圖2 ZigBee的組網(wǎng)方式

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程來看，可以將系統(tǒng)的運(yùn)行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數(shù)據(jù)采集模塊向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出控制命令，能對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備比如燈光、溫度、濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制。

在上傳處理時(shí)，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運(yùn)行時(shí)首先需要?jiǎng)?chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行配置，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；一旦接收到數(shù)據(jù)上傳命令，就將采集的信息上傳；網(wǎng)關(guān)在接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，一方面，需要對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，及時(shí)將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)有效傳輸數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時(shí)，系統(tǒng)首先由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送允許控制命令，同時(shí)要將底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起來，一旦遠(yuǎn)程用戶控制中心通過控制界面對(duì)底層發(fā)送控制命令或呼叫命令，首先要檢測(cè)命令的正確性，然后，依據(jù)命令中的設(shè)備號(hào)查詢控制的設(shè)備名稱，當(dāng)這些設(shè)備都正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制，系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

進(jìn)行實(shí)時(shí)、多元的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了智能化無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控功能；充分利用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，保障了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提高提供了一個(gè)高效的實(shí)用平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際需求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行傳感器的擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)更多功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李磊，林土勝，吳振強(qiáng).基于Zigbee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2011，28（1）：108-116.

[2]李文仲.Zigb ee2006 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：湯靜]

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)等三種角色。

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee的組網(wǎng)方式如圖2所示，系統(tǒng)中選用星型的組網(wǎng)方式。

圖2 ZigBee的組網(wǎng)方式

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程來看，可以將系統(tǒng)的運(yùn)行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數(shù)據(jù)采集模塊向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出控制命令，能對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備比如燈光、溫度、濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制。

在上傳處理時(shí)，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運(yùn)行時(shí)首先需要?jiǎng)?chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行配置，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；一旦接收到數(shù)據(jù)上傳命令，就將采集的信息上傳；網(wǎng)關(guān)在接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，一方面，需要對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，及時(shí)將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)有效傳輸數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時(shí)，系統(tǒng)首先由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送允許控制命令，同時(shí)要將底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起來，一旦遠(yuǎn)程用戶控制中心通過控制界面對(duì)底層發(fā)送控制命令或呼叫命令，首先要檢測(cè)命令的正確性，然后，依據(jù)命令中的設(shè)備號(hào)查詢控制的設(shè)備名稱，當(dāng)這些設(shè)備都正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制，系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

進(jìn)行實(shí)時(shí)、多元的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了智能化無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控功能；充分利用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，保障了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提高提供了一個(gè)高效的實(shí)用平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際需求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行傳感器的擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)更多功能。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]李文仲.Zigb ee2006 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：湯靜]

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)等三種角色。

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee的組網(wǎng)方式如圖2所示，系統(tǒng)中選用星型的組網(wǎng)方式。

圖2 ZigBee的組網(wǎng)方式

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

從整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程來看，可以將系統(tǒng)的運(yùn)行流程分為上傳處理和下控處理，上傳處理主要是數(shù)據(jù)采集模塊向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸問題；而下控處理則主要是控制中心向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出控制命令，能對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備比如燈光、溫度、濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制。

在上傳處理時(shí)，ZigBee無線傳感器模塊嵌入式軟件是主要的組成部分，運(yùn)行時(shí)首先需要?jiǎng)?chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行配置，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；一旦接收到數(shù)據(jù)上傳命令，就將采集的信息上傳；網(wǎng)關(guān)在接收到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，一方面，需要對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，及時(shí)將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)有效傳輸數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況有所了解，從而做出不同的控制策略。

在下控處理時(shí)，系統(tǒng)首先由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送允許控制命令，同時(shí)要將底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起來，一旦遠(yuǎn)程用戶控制中心通過控制界面對(duì)底層發(fā)送控制命令或呼叫命令，首先要檢測(cè)命令的正確性，然后，依據(jù)命令中的設(shè)備號(hào)查詢控制的設(shè)備名稱，當(dāng)這些設(shè)備都正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將命令傳輸至底層的控制模塊，利用終端單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制，系統(tǒng)總體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

進(jìn)行實(shí)時(shí)、多元的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了智能化無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控功能；充分利用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，保障了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提高提供了一個(gè)高效的實(shí)用平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)具有良好的可移植性和擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際需求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行傳感器的擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)更多功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李磊，林土勝，吳振強(qiáng).基于Zigbee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2011，28（1）：108-116.

[2]李文仲.Zigb ee2006 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：湯靜]