基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田紀(jì)亞 王超

摘要：文章主要研究實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)主要包括傳感器采集系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)3個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)利用傳感器采集實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)信息，通過無線方式將數(shù)據(jù)匯聚至上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，移動(dòng)終端控制系統(tǒng)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。最終根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)人為控制與智能化控制，單一控制與多元控制相結(jié)合的智能監(jiān)管方式。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2530；移動(dòng)終端；上位機(jī)

目前，大部分性能較好的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)?shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息進(jìn)行簡單監(jiān)管，可錄入出入實(shí)驗(yàn)室人員相關(guān)信息，可控制實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)設(shè)備，但多項(xiàng)任務(wù)需要人為主動(dòng)控制。電子白板、遮光板、投影儀需要人員操作，環(huán)境監(jiān)管僅是大概的環(huán)境數(shù)值，所有設(shè)備均獨(dú)立工作，單獨(dú)控制設(shè)備，不能智能化監(jiān)管和管理實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行情況，既不方便，又增加人力成本和資源損耗，無法滿足現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室的管理和監(jiān)管，更無法適應(yīng)如無菌、高低溫等對(duì)環(huán)境和人員有特殊需求的實(shí)驗(yàn)室的有效監(jiān)管[1]。因此，設(shè)計(jì)一款智慧化監(jiān)管、操作簡單、價(jià)格低廉，集環(huán)境監(jiān)管、設(shè)備管理、人員控制三維一體的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要面向?qū)嶒?yàn)室人員管理、設(shè)備調(diào)整、環(huán)境監(jiān)控等因素，主要包括由傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信息匯聚分析和處理的上位機(jī)控制系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的移動(dòng)終端控制系統(tǒng)3個(gè)部分。

傳感器采集系統(tǒng)主要包括光照傳感器、人體紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器以及射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）射頻采集系統(tǒng)。傳感器負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)室信息，如光照強(qiáng)度、火患信息、溫濕度、非法入侵以及出入人員情況等信息。采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過終端節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將匯聚的數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，移動(dòng)終端控制系統(tǒng)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)備控制系統(tǒng)包括投影儀控制電路、白板控制電路、遮光控制電路、通風(fēng)控制電路、門禁控制電路、總報(bào)警電路，設(shè)備控制電路由協(xié)調(diào)器直接控制。系統(tǒng)原理框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用德州儀器ZigBeeCC2530無線射頻微處理器，包括多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)主要功能是采集傳感器的數(shù)據(jù)并利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)并匯聚采集的信息。為滿足無線穩(wěn)定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，設(shè)計(jì)采用2.4 GHz頻段及15信道，具備較好的抗干擾能力，特別適合短距離無線通信系統(tǒng)應(yīng)用[2]。

2.2 傳感器采集系統(tǒng)

傳感器采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括光照傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅?、紅外熱釋電傳感器以及RFID射頻采集單元。光照傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鹘?jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，溫濕度傳感器和紅外熱釋電傳感器直接與終端節(jié)點(diǎn)相連，射頻采集電路主要用于出入實(shí)驗(yàn)室人員刷卡信息的采集和分析[3]。

2.3 設(shè)備控制系統(tǒng)

設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括門禁管理系統(tǒng)、制冷/熱系統(tǒng)、投影控制系統(tǒng)、遮光系統(tǒng)、電子白板系統(tǒng)及聲光報(bào)警系統(tǒng)6個(gè)部分[4]。傳感器采集系統(tǒng)采用直接（溫濕度傳感器、紅外熱釋電傳感器以及RFID射頻采集單元）和間接（光照傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳎┑姆绞脚c終端節(jié)點(diǎn)相連，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，有效覆蓋距離60 m。協(xié)調(diào)器安裝于實(shí)驗(yàn)室的中前部位置，終端節(jié)點(diǎn)排布于實(shí)驗(yàn)室4個(gè)方向。為保證光照傳感器實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)室光照情況，須安裝于窗口附近。紅外熱釋電及溫濕度傳感器置于實(shí)驗(yàn)室不同方向，實(shí)時(shí)采集室溫濕度信息及室內(nèi)外人員情況。門禁管理系統(tǒng)用于讀取出入人員卡信息，并將信息傳遞給上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)中采用4路火焰?zhèn)鞲衅鞑⒅糜趯?shí)驗(yàn)室頂部，分別采集四周的火情信息。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)GSM模塊直接向管理者的移動(dòng)終端撥打電路。系統(tǒng)電路示意如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是指上位機(jī)系統(tǒng)界面和移動(dòng)終端系統(tǒng)界面兩個(gè)部分。上位機(jī)界面采用VC++6.0軟件完成，利用MSComm串口通信控件獲取來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。移動(dòng)終端可利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問上位機(jī)服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)交互[5]。

軟件設(shè)計(jì)流程：（1）系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)各項(xiàng)任務(wù)輪詢。（2）執(zhí)行各種數(shù)據(jù)的調(diào)度與分析，并存入數(shù)據(jù)庫。（3）多線程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取的各項(xiàng)基本信息并進(jìn)行顯示。（4）串口數(shù)據(jù)更新，發(fā)送決策命令。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)協(xié)議棧底層程序，主要研究組網(wǎng)、接收、發(fā)送3個(gè)部分的內(nèi)容。協(xié)議棧版本采用Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 版本[6]。

軟件設(shè)計(jì)流程（見圖3）：（1）系統(tǒng)初始化，主要包括在關(guān)閉中斷情況下，初始化板載10， HAL層，MAC層，NVFlash等，接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，然后啟動(dòng)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)大輪詢。（2）檢測組網(wǎng)情況，并進(jìn)行信息反饋，如組網(wǎng)失敗則返回至初始化部分，成功則開始逐個(gè)采集外界環(huán)境信息。（3）判斷環(huán)境信息采集情況，并進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試

測試過程中該系統(tǒng)具備環(huán)境因素調(diào)節(jié)、設(shè)備監(jiān)控、出入人員管理、自動(dòng)化精準(zhǔn)控制等功能，可同時(shí)組建多個(gè)不同類型的特殊實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測方案，既適用于普通實(shí)驗(yàn)室的管理，也可承擔(dān)特殊類型實(shí)驗(yàn)室，如高低溫、無菌等對(duì)環(huán)境因素要求較高的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管工作，提高了實(shí)驗(yàn)室管理的效率，降低了人力成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

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