基于ZigBee的室內(nèi)安全報(bào)警系統(tǒng)

王陳政，范 恩，曹良波，邱云明，胡珂立

（1.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)的快速發(fā)展為構(gòu)建有效的室內(nèi)環(huán)境報(bào)警系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)支持[1-4]。ZigBee具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合室內(nèi)傳感器間周期性、間歇性和低響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸[5-9]。

傳統(tǒng)的室內(nèi)安全警報(bào)系統(tǒng)一般由多個(gè)傳感器和相關(guān)線路組成，布線繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且不便于維修和拓展[10-11]。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的室內(nèi)安全報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先采用低功耗無線專用芯片CC25300以及ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后將傳感器采集的煙霧濃度、室內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，最后協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾分析后傳輸給上位機(jī)。因此，用戶可以通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)信息，有效避免有線火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)存在的不足，同時(shí)滿足低成本、低功耗、低速率的市場要求，可廣泛應(yīng)用于學(xué)校、工廠和小區(qū)等場所。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

為減少火災(zāi)、煤氣中毒等安全事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的室內(nèi)安全報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路如下：

（1）信息采集：利用煙霧傳感器、溫濕度傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；

（2）信息處理：收到數(shù)據(jù)后，協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)過濾，剔除無效數(shù)據(jù)，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷是否需要啟動(dòng)聲光報(bào)警器；

（3）信息顯示：利用基于Python開發(fā)的程序?qū)崟r(shí)顯示下位機(jī)傳輸?shù)男畔?，通過程序界面修改報(bào)警閾值；

（4）信息存儲(chǔ)：上位機(jī)程序利用MySQL數(shù)據(jù)庫保存下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)；

（5）數(shù)據(jù)查詢：建立Web網(wǎng)站，通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，室內(nèi)安全報(bào)警系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組成，即數(shù)據(jù)采集處理模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及圖形化界面顯示模塊。數(shù)據(jù)采集處理模塊由多個(gè)傳感器組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；報(bào)警模塊由聲光報(bào)警器組成，實(shí)時(shí)監(jiān)聽報(bào)警命令，接收到指令后立即報(bào)警；數(shù)據(jù)傳輸模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)組成，主要負(fù)責(zé)ZigBee組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸；圖形化界面顯示模塊包括數(shù)據(jù)庫以及上位機(jī)應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)庫保存下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)顯示在圖形用戶界面上。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

MQ-2型煙霧傳感器：該傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料、表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)室內(nèi)溫度處于200～300 ℃時(shí)，二氧化錫會(huì)吸附空氣中的氧氣，使半導(dǎo)體的電子密度減少、電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處勢壘受到煙霧的調(diào)制而發(fā)生變化，那么電導(dǎo)率就會(huì)發(fā)生變化。煙霧濃度越大，電導(dǎo)率越大，電阻越低。

DHT11溫濕度傳感器：該傳感器是一款含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)通過CC2530 I/O口讀取DHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)。

聲光報(bào)警傳感器：該傳感器包括紅、綠、藍(lán)3種顏色，當(dāng)報(bào)警燈的引腳為高電平時(shí)報(bào)警燈滅，低電平時(shí)報(bào)警燈亮。

ZigBee無線通信協(xié)議：該協(xié)議是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的媒體訪問層與物理層。ZigBee無線通信一般含有3類節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器（負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)、信息收發(fā)）、終端節(jié)點(diǎn)（信息采集、接受控制）和路由節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 無線通信協(xié)議運(yùn)行流程

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

圖3所示為室內(nèi)安全報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)表中主要包括的字段：id，表示記錄的索引；time，表示數(shù)據(jù)采集的時(shí)間；temp，表示溫濕度傳感器的溫度信息；air，表示煙霧傳感器采集煙霧和可燃?xì)怏w的濃度。通過數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)各傳感器采集的數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息，方便用戶查詢、管理和分析。

圖3 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集測試

將協(xié)調(diào)器通過串口與PC相連，然后啟動(dòng)所有節(jié)點(diǎn)并燒錄程序，待節(jié)點(diǎn)全部加入網(wǎng)絡(luò)后，在串口助手中查看節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)全部啟動(dòng)并加入網(wǎng)絡(luò)后，可在LCD上查看傳感器采集的數(shù)據(jù)，如圖5、圖6所示。如果使用打火機(jī)對(duì)煙霧傳感器噴氣，此時(shí)聲光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。

圖4 串口數(shù)據(jù)接收測試結(jié)果

圖5 溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)顯示

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示測試

將協(xié)調(diào)器通過串口與PC相連，啟動(dòng)上位機(jī)應(yīng)用程序，在用戶圖形界面上可以看到實(shí)時(shí)顯示的溫度、煙霧濃度、有無人活動(dòng)和環(huán)境安全狀態(tài)，通過折線圖顯示數(shù)值的變化情況。用戶可通過修改溫度和煙霧濃度的閾值改變系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，如圖7所示。通過瀏覽器訪問服務(wù)器時(shí)，可通過設(shè)置時(shí)間表單查看指定時(shí)段采集的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖7 圖形用戶界面顯示效果

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢測試效果

4 結(jié) 語

室內(nèi)安全監(jiān)測對(duì)生產(chǎn)、生活十分重要。傳統(tǒng)的室內(nèi)安全警報(bào)系統(tǒng)布線繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不便于維修和拓展。為此，本文根據(jù)室內(nèi)實(shí)際安全監(jiān)測需求，開發(fā)了一套基于ZigBee的室內(nèi)安全警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，采用溫濕度傳感器、聲光電傳感器、煙霧傳感器等組網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，同時(shí)開發(fā)軟件實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測室內(nèi)的溫度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警，從而有效減少室內(nèi)安全隱患。此外，用戶可以實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)具體需求對(duì)室內(nèi)安全級(jí)別進(jìn)行優(yōu)化。