基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)

夏傳鴻

【摘? ?要】? ?設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境信息觸發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和輸出硬件接口模塊。采用上位機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控信息傳輸，構(gòu)建傳感器模塊和信號(hào)聯(lián)合調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息特征分析，構(gòu)建高頻率數(shù)據(jù)信息處理模塊。通過可編程的邏輯處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控和優(yōu)化控制。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)收斂誤差較小，數(shù)據(jù)記錄性能較好。

【關(guān)鍵詞】? ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);物理實(shí)驗(yàn)室;環(huán)境;安全監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集

Environmental Safety Monitoring System of Physics Laboratory

Based on Internet of Things Technology

Xia Chuanhong

（Hefei University， Hefei 230601， China）

【Abstract】? ? A physical laboratory environmental safety monitoring system based on Internet of Things technology is designed， including physical laboratory environmental information acquisition module， data acquisition module， physical laboratory environmental information trigger module， and data storage module and output hardware interface module based on Internet of Things. The upper computer platform is adopted to realize information communication of physical laboratory environmental safety monitoring， and the sensor module and signal joint conditioning module are constructed to realize analysis of physical laboratory environmental information characteristics， and the high-frequency data information processing module is constructed. Through the programmable logic processor， the physical laboratory environment safety monitoring and optimization control are realized. The test results show that the convergence error of the designed physical laboratory environment safety monitoring system is small and the data recording performance is better.

【Key words】? ? ?internet of things technology; physics laboratory; environment; safety monitoring; data acquisition

0? ? ?引言

智能物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)智能物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息化智能管理的關(guān)鍵，通過構(gòu)建環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立環(huán)境監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)，提高智能物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控和信息化管理能力。在嵌入式系統(tǒng)中，結(jié)合人體探測(cè)儀、水浸監(jiān)測(cè)、攝像頭等智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室的信息化管理和監(jiān)控[1]。

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)一般是通過安保人員實(shí)時(shí)查看監(jiān)控畫面，受到監(jiān)控時(shí)間段的差異性以及環(huán)境限度的影響，導(dǎo)致監(jiān)控效果不好，特別是按時(shí)間段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視過程中，不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況處理。為了降低物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控的成本，提高監(jiān)控可靠性，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

1? ? ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? ?環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

以防火、防盜以及防爆安全監(jiān)控為目標(biāo)對(duì)象，構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，包括物理信息分析模塊和環(huán)境信息分析模型，通過自動(dòng)切斷危險(xiǎn)電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控，采用基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議[3]。環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，采用CS、SDI和CLK構(gòu)成物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)控制協(xié)議，通過RS485總線實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)總線傳輸控制，在I/O接口中實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的傳輸控制和信息交互，采用路由總線配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，在物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，采用微型傳感網(wǎng)絡(luò)裝置，在MAC層均采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議[5]，得到物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的輸出總線，如圖3所示。

1.2? ?環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊構(gòu)造

構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，包括基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息觸發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和輸出硬件接口模塊[6-8]，系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)架如圖4所示。

采用多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)房物理信息傳輸和視頻傳輸模塊，采用視頻數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)控識(shí)別，通過無線射頻分析和RFID標(biāo)簽識(shí)別，構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系，采用多傳感器融合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)連接，電源適配器實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的電源供電，通過電源管理芯片進(jìn)行DC轉(zhuǎn)換控制[8]，采用氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的物理信息采集，系統(tǒng)的硬件功能模塊結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

2? ? ?系統(tǒng)硬件功能模塊設(shè)計(jì)

2.1? ?信息處理模塊

信息模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理和原始數(shù)據(jù)采集，采用多源傳感信息處理方法，構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理器，采用集成DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合，通過Um接口接入物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的GPRS PL MN，在INTERNET標(biāo)識(shí)模式下，構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的輸出總線層，由移動(dòng)臺(tái)地址的IP包實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的輸出信息轉(zhuǎn)發(fā)，GGSN接受物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控信息[9]，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)上。物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理結(jié)構(gòu)流程如圖6所示。

2.2? ?網(wǎng)絡(luò)模塊

物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊是通過外部分組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，通過移動(dòng)臺(tái)以無線方式連接到GPRS蜂窩上，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控及物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，物理實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控分為信息輸入層、適應(yīng)層、輸出層等，采用終端網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，建立物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，采用分組控制單元（PCU，Packet Control Unit）和監(jiān)控系統(tǒng)的Gb接口單元（GBIU，Gb Interface Unit）實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的接口控制，得到信令和傳輸接口分布如圖7所示。

2.3? ?輸出接口模塊

物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的Um接口層和物理層，采用射頻接口總線傳輸控制方法，進(jìn)行物理鏈路層分布設(shè)計(jì)，構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的邏輯傳輸信道，得到高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLC協(xié)議。采用TaskBasic.postTask（）命令返回物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的SUCCESS值，通過信源編碼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的事件驅(qū)動(dòng)程序控制，構(gòu)建輸出接口成像模塊[10]，得到輸出接口硬件配置如圖8所示。

構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的高頻率數(shù)據(jù)信息處理模塊，通過可編程的邏輯處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控和優(yōu)化控制，利用FPGA 和CRIO 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

3? ? ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)及仿真測(cè)試

設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，在云數(shù)據(jù)信息處理平臺(tái)中，構(gòu)建256KB閃存的CC2530F256控制協(xié)議，采用[ZigBee]協(xié)議棧（[Z-Stack]）進(jìn)行輸出總線控制，設(shè)置系統(tǒng)的輸出分辨率為7至12位，采用串行的TWI存儲(chǔ)器引導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控的軟件程序，通過協(xié)調(diào)器串口與GPRS模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制，并通過UART、定時(shí)器、GPIO等緩存器控制內(nèi)核電壓，得到物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程，如圖9所示。

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能，測(cè)試系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的基本格式見表1。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)傳輸格式，測(cè)試不同迭代次數(shù)下監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)誤差，得到的結(jié)果見表2。

由表2可知，本方法輸出誤差均低于0.005，較文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[6]提出的方法低，說明本方法的收斂性能較好，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄性能有所提升。

4? ? ?結(jié)語

本文利用計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立智能物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)，提高了其環(huán)境監(jiān)控和信息化管理能力。構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理器，采用集成DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合，通過可編程的邏輯處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控和優(yōu)化控制，利用FPGA 和CRIO 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性和可靠性較好、收斂誤差較小。

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