基于Zigbee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

汪雷

摘 要：建筑物具有房間多、范圍廣的特點(diǎn)。為了方便用戶能夠直觀的了解室內(nèi)環(huán)境信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了地圖管理模塊。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，傳感器采集室內(nèi)環(huán)境的信息通過(guò)無(wú)線的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。給出了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：X830.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2018）02-0014-06

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們對(duì)于學(xué)習(xí)、生活環(huán)境的安全性、舒適性要求日益增長(zhǎng)，尤其是對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的更是嚴(yán)格。在日常生活中，通常要求一個(gè)溫度適宜的環(huán)境。因此，有必要了解室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度、濕度、煤氣的濃度，以便于進(jìn)行一定調(diào)節(jié)。從而減少由于環(huán)境因素的超標(biāo)對(duì)人體造成的傷害。傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所需的設(shè)備較多，布線復(fù)雜，可靠性低，抗干擾能力差，日常管理和維護(hù)的費(fèi)用高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種近距離無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee 技術(shù)以其低功耗、易組網(wǎng)、低成本、短時(shí)延、高容量、高安全等優(yōu)點(diǎn)在智能家居應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了運(yùn)用ZigBee技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心和Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通常由三個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成： 協(xié)調(diào)器（ Coordinator）節(jié)點(diǎn)、路由器 （ Router）節(jié)點(diǎn)、傳感器（ End Device）節(jié)點(diǎn)。[1]協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)、配置和管理。路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的感知和收集然后通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，ZigBee 協(xié)調(diào)器 在系統(tǒng)中起通信媒介的作用，主要負(fù)責(zé)控制中心與各子系統(tǒng)之間的通信，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上報(bào)給監(jiān)測(cè)中心。[2]監(jiān)測(cè)中心就是一臺(tái)PC機(jī)，用來(lái)顯示、分析檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。本文主要討論數(shù)據(jù)的采集和分析。

系統(tǒng)以學(xué)校的教學(xué)樓為對(duì)象，根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)有如下要求：系統(tǒng)的權(quán)限分為管理員和普通用戶。

（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的、可靠地顯示當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境信息。管理員和普通用戶在PC機(jī)上都能夠?qū)崟r(shí)的看到數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以通過(guò)表格、趨勢(shì)圖的形式呈現(xiàn)給用戶。

（2）管理員能夠在PC機(jī)上設(shè)定參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)高于這個(gè)設(shè)定的參數(shù)，能夠報(bào)警提醒用戶，以便用戶采取相應(yīng)的措施。

（3）管理員可以在系統(tǒng)中管理傳感器節(jié)點(diǎn)和地圖，調(diào)節(jié)傳感器在相應(yīng)地圖中的位置，以便用戶根據(jù)地圖就能知道實(shí)際在地圖中相應(yīng)位置的參數(shù)。

（4）管理員能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)的日常維護(hù)，包括數(shù)據(jù)的刪除、修改和備份。 根據(jù)上述要求，系統(tǒng)分成六個(gè)模塊，如圖2所示，即用戶管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、報(bào)警模塊。下面對(duì)六個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 用戶管理模塊

系統(tǒng)的權(quán)限分為普通用戶和管理員。模塊功能圖如3所示，用戶登陸系統(tǒng)時(shí)需要輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)通過(guò)查詢比較數(shù)據(jù)中的用戶名和密碼，若一致則通過(guò)，并且獲得相應(yīng)的權(quán)限，否則出現(xiàn)錯(cuò)誤提示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊 控 制 核 心 和 ZigBee 終 端， 同 時(shí)， 選 用 帶有 ZigBee 功 能 的 CC2530 無(wú) 線 通 信 芯 片。[3]CC2530集成了時(shí)鐘電路，MCU接口電路，射頻輸入/輸出匹配電路為一體。將傳感器節(jié)點(diǎn)安放任意位置，則構(gòu)成一個(gè)廣泛的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)對(duì)于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有室內(nèi)的溫度、濕度、煤氣的濃度，默認(rèn)的情況下是隔兩秒中采集一次。采集信息的終端節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)是通RS-232相連。以溫濕度傳感器為例說(shuō)明傳感器結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)庫(kù)要利于開(kāi)發(fā)和管理，系統(tǒng)選用了SQL server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server 是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能夠?qū)τ趹?yīng)用關(guān)系有很好的映射，同時(shí)，它也是一個(gè)企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以容納海量數(shù)據(jù)，有界面直觀和使用廣泛的優(yōu)點(diǎn)。[4]根據(jù)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)Temper數(shù)據(jù)庫(kù)，含4個(gè)表，如表1-表5所示。

user是系統(tǒng)用戶的管理表，記錄了所有用戶的用戶名，密碼，權(quán)限和登陸次數(shù)。其中所有的字段都不能為空，用戶名為該表的主鍵。

SUM是系統(tǒng)的信息匯總表，記錄了所有樓的基本信息，包括樓的名字，這棟樓的層數(shù)和存儲(chǔ)這棟樓的信息表格的名稱。其中所有的字段都不能為空，“名稱”為該表的主鍵。

Table1～3是記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本信息，每個(gè)表的數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量相等，字段都相同。由于這里只有三個(gè)節(jié)點(diǎn)所以建了三張數(shù)據(jù)表。其中所有的字段都不能為空，地址為該表的外鍵。

Ttable是每棟樓的信息匯總表，記錄了在該棟樓里放置節(jié)點(diǎn)的所有地址和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息的表的名字。表的數(shù)量與樓的數(shù)量相等。該表中所有的字段都不能為空，“地址”為外鍵。

2.4 數(shù)據(jù)查詢

為了方便的分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)的查詢。數(shù)據(jù)分為以趨勢(shì)圖顯示和表格顯示，查詢分為根據(jù)地址查詢、根據(jù)檢測(cè)到的信息類別查詢和根據(jù)時(shí)間查詢。若所輸入的查詢條件在數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)法找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則出現(xiàn)“模塊沒(méi)有檢測(cè)該時(shí)間點(diǎn)的溫度”字樣，這就需要從新返回輸入查找條件。

（1）根據(jù)地址查詢。管理員需要查詢數(shù)據(jù)必須首先選擇需要查詢的地址。如果需要更方便的分析數(shù)據(jù)則需要選擇檢測(cè)信息類別和時(shí)間段。

（2）根據(jù)檢測(cè)信息類別查詢。 系統(tǒng)檢測(cè)到的信息種類分為溫度、濕度、煤氣的濃度。用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

（3）根據(jù)時(shí)間查詢。數(shù)據(jù)查詢的模式是年月日，時(shí)分秒，根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的格式來(lái)查找數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)設(shè)置

本系統(tǒng)的特色在于系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)設(shè)置包括地址管理，地圖管理和節(jié)點(diǎn)管理。管理員可以根據(jù)需要添加、刪除、修改地址即對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的表操作。地址包括每棟樓的名稱，每棟樓的樓層，放置節(jié)點(diǎn)的房間編號(hào)。

地圖管理為用戶根據(jù)地址在系統(tǒng)中導(dǎo)入已經(jīng)存在的地圖，目前系統(tǒng)中可以導(dǎo)入地圖的格式為常用的圖片格式.gif，.jgp，.bmp。如果地圖較為簡(jiǎn)單，管理員可以自己繪制示意圖，繪制完成后管理員可以選擇保存地圖或者插入到系統(tǒng)中去，保存的格式也為.gif，.jgp，.bmp格式。管理員繪制地圖為在畫(huà)圖板中繪制，操作方法與普通的繪圖板一致，在繪制的時(shí)候只需選擇需要的元素。該繪圖板的原理為，對(duì)繪制地圖常用的形狀顏色，線條的粗細(xì)做了封裝。

節(jié)點(diǎn)管理就是管理員根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置在地圖相應(yīng)的位置中插入一個(gè)熱點(diǎn)。為了便于用戶識(shí)別，熱點(diǎn)的名稱就為放置節(jié)點(diǎn)的房間號(hào)和傳感器類型（溫度、濕度、煤氣的濃度），用戶在靠近這個(gè)熱點(diǎn)時(shí)，提醒用戶附近有可用的熱點(diǎn)，點(diǎn)擊這個(gè)熱點(diǎn)就可以查看這個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的信息。

2.6 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的報(bào)警主要是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要完成的功能為用戶輸入一個(gè)閾值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出閾值則該節(jié)點(diǎn)處的蜂鳴器報(bào)警且在該地圖相應(yīng)位置的熱點(diǎn)閃爍，提醒用戶直至采集到的參數(shù)低于閾值，蜂鳴器停止，同時(shí)，停止閃爍。

3 系統(tǒng)測(cè)試

下面是系統(tǒng)的測(cè)試，針對(duì)完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果顯示，使本套系統(tǒng)更直觀地展現(xiàn)在用戶面前。

（1）用戶通過(guò)輸入用戶名、密碼和正確的驗(yàn)證碼登陸到主界面，也可以通過(guò)選擇添加用戶進(jìn)入用戶添加頁(yè)面。

（2）添加用戶是在系統(tǒng)中創(chuàng)建使用溫度檢測(cè)系統(tǒng)的用戶，包括用戶的名稱，用戶角色，密碼。

（3）用戶登陸后，進(jìn)入主頁(yè)。主頁(yè)主要是起導(dǎo)航的作用。這里用Admin的賬號(hào)登陸，看到如圖5的主頁(yè)。上面的菜單分為三欄分別為設(shè)置、查詢和退出。設(shè)置菜單主要是為管理員提供地圖管理、地址管理、繪制地圖和數(shù)據(jù)備份操作。查詢菜單主要為用戶提供數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)查詢、即時(shí)

數(shù)據(jù)查詢操作。退出菜單就是退出整個(gè)系統(tǒng)。左側(cè)是整個(gè)系統(tǒng)的地址分布。用戶雙擊地址，則頁(yè)面顯示相應(yīng)的地圖。在地圖上可以看到該區(qū)域的溫度變化情況。如果管理員在系統(tǒng)中沒(méi)有插入地圖，則顯示的是空白區(qū)域。這里管理員先進(jìn)入了地圖管理模塊。

（4）圖6為地圖管理模塊。系統(tǒng)的地圖管理用于管理員在系統(tǒng)中插入地圖和節(jié)點(diǎn)。管理員在右側(cè)的地址中選擇插入相應(yīng)的地圖，然后在地圖的相應(yīng)位置插入節(jié)點(diǎn)。若是該地址有相應(yīng)的地圖，則右邊該地址顯示為藍(lán)色，若該地址有節(jié)點(diǎn)，則右邊該地址顯示為黃色。這次測(cè)試中在系統(tǒng)中插入相應(yīng)的地圖和節(jié)點(diǎn)。

（5）圖7是數(shù)據(jù)查詢頁(yè)面。數(shù)據(jù)查詢是為用戶提供查詢歷史數(shù)據(jù)，用戶選擇數(shù)據(jù)查詢，則數(shù)據(jù)以表格的形式呈現(xiàn)。選擇數(shù)據(jù)圖像，則數(shù)據(jù)以曲線圖的形式呈現(xiàn)，用戶可以清楚的看到溫度變化的趨勢(shì)。用戶在查詢數(shù)據(jù)前，必須要選擇地址。

（6）圖8是即時(shí)數(shù)據(jù)查看。是為用戶提供查詢節(jié)點(diǎn)此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，以曲線圖的形式呈現(xiàn)。用戶可以清楚的看見(jiàn)溫度變化的趨勢(shì)。上面的菜單分為三欄分別為設(shè)置、查詢和退出。設(shè)置為設(shè)置系統(tǒng)的采樣時(shí)間，串口。保存為保存趨勢(shì)圖，供用戶分析。

（7）圖9是繪制地圖界面。管理員繪制地圖的方法與普通繪圖板的方法一致，管理員選擇需要的圖形和顏色，在白色的區(qū)域進(jìn)行繪制。這里我們僅僅畫(huà)了一個(gè)示意圖。

（8）刪除數(shù)據(jù)是用戶把不需要的數(shù)據(jù)刪除，用戶需檢索到需要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)，然后刪除如圖10。若需要恢復(fù)則通過(guò)找回?cái)?shù)據(jù)恢復(fù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)有數(shù)據(jù)庫(kù)備份和找回?cái)?shù)據(jù)。備份數(shù)據(jù)是管理員在主機(jī)上選擇合適的路徑對(duì)于重要的數(shù)據(jù)備份，備份數(shù)據(jù)能夠在數(shù)據(jù)丟失的情況下，恢復(fù)重要的數(shù)據(jù)，如圖11。找回?cái)?shù)據(jù)主要是對(duì)于用戶刪除的數(shù)據(jù)做一個(gè)管理，如圖12。如果用戶需要找回已經(jīng)被刪除的數(shù)據(jù)，則可以選擇還原。如果管理員確定刪除數(shù)據(jù)，則選擇徹底刪除。

系統(tǒng)是以頁(yè)面的展示位核心，以上是對(duì)系統(tǒng)的主要幾個(gè)模塊的描述。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Zigbee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)CC2530實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試該系統(tǒng)能夠滿足對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求，采集到的信息符合實(shí)際情況。該系統(tǒng)具有成本低、效率好、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。但是系統(tǒng)在以下方面有待提高。

（1）提高溫度檢測(cè)的精度。 溫度很容易受外界影響，如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間使用將導(dǎo)致硬件散熱不及時(shí)，可能導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到的溫度不精確。所以如何精確地檢測(cè)溫度，減少硬件的干擾是我們需要解決的。

（2）節(jié)點(diǎn)增多時(shí)系統(tǒng)能夠順暢。 本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)比較少，所以不存在節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。但如果有成百上千的節(jié)點(diǎn)，就存在節(jié)點(diǎn)的沖突問(wèn)題。所以如何協(xié)調(diào)好個(gè)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。

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A Study on the Monitoring System for Indoor Environment Based on Zigbee

WANG Lei

（Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade， Huainan 232007， China）

Abstract： The complex structure has many rooms and covers a wide range. A map management module is designed to facilitate the users to understand the indoor environment information directly. The environmental monitoring system consists of the monitoring center and the sensor network， the sensor collects the indoor environment information and sends data to the terminal node through the wireless mode， the terminal node transmits data to the monitoring center through the serial port and then carries out data analysis. This paper is to give the function design， database design and software design of the system.

Key words： wireless sensor； monitoring system； database

責(zé)任編輯 張志釗