物联网技术在实验室安防信息采集中的应用研究

郭小丹　陈小莹　胡永

摘要：针对当前高校实验室安防信息采集应用的局限性，将物联网技术应用于实验室的信息采集系统。系统融合了多种传输方式，运用嵌入式技术、无线传感网络技术、通信技术实现了实验室安防实时监测，能够及时反映实验室险情，大大简化了工作流程，给管理人员带来了极大的便利。测试表明，系统运行可靠，反馈正确，完全满足应用需求，具有较高推广应用价值。

关键词：物联网； 安防采集； Zigbee； GSM； 电力载波

中图分类号：TP309 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2014）04-0054-04

Abstract：To solve the information collection and application limitations existing in current colleges safety system， the Internet of things technology will be applied to information acquisition system lab. Combining multiple transmission modes， this system has realized real time monitor on laboratories by adopting Embedded Technology， Wireless Sensor Technology， and Communication Technology. Thus dangerous situations in laboratories can be detected quickly， and the workflow is also simplified which brings great convenience to the administrators. Test results have proved this systems reliability and correct feedback， which satisfies the need of application. Hence it has high value of popularization and application.

Key words：The Internet of Things； Surveillance and Safety Control； Zigbee； GSM； Power Line Carrier

0引言

高校实验室是实施人才培养、开展科学研究以及提供社会服务的重要场所，而且实验室又占据着高校固定资产的较大份额，如何进行实验室的安全维护和集中管理也已成为研究界一个热门课题。本文即将物联网技术应用到实验室安防领域，并在当前实验室环境监测范围内，前端运用传感器采集险情信号，组建无线传感器网络，以实现实验室安防信息的智能化获取，如此则大大简化了系统的硬件结构；再则，将现有电力网络和无线公网也融合到系统中，并运用多种传输方式将前端采集到的信息可靠地传输至后台，即使得用户与各监测节点可进行实时信息交互。

1系统框架与原理

本系统主要由三部分构成：环境监测前端、数据传输中转站和系统处理后端。根据物联网三层结构定义[1]可知，该系统中监测前端属于感知层；GSM网络，电力载波通信，Zigbee无线数据传输都属于网络层；系统处理后端PC机和用户手机则属于应用层。相应地，各个部分就需要执行对实验室数据的现场采集与发送，数据的接收、判断与传输，接收报警信息的处理，以及最终完成实验室信息的可视化、查询和管理等重要功能。系统具体框架结构即如图1所示。

由图1可知，前端监测模块定时采集各个传感器信号，对信号进行滤波、放大、处理后通过Zigbee将实验室状态发送至中转站，中转站将根据实验室当前安全状态，选择传输途径，再将安全状态发送给PC机软件或者向实验室管理人员手机发送报警短信。管理人员则可通过手机短信或者PC机监控软件发送查询状态命令，以获取实验室实时安全状态信息，监测模块收到采集命令后，即刻采集所有传感器数据并通过中转站发送给管理人员手机或PC机软件。

2实验室安防监控系统设计

2.1前端监测模块设计

在实验室安防检测应用中，部署在实验室环境中的监测模块位于整个物联网络架构的最底层，向上为传输网络，邻近是后台基站和管理员手机，再后则连接Internet。由于本系统功能是对实验室安防的异常信息进行报警，考虑到产品的成本和资源浪费问题，最终采用的即是将温度、烟雾和红外这三种传感器接入到同一个监测模块的设计方案，方案设计如图2所示。

2.2智能传输通道的搭建

本设计传输通道可以定义为从前端监测模块经数据中转到后台数据处理之间的通信系统，包括中转站传输与后台传输。中转站MCU首先获得前端采集的实验室状态数据，经过处理后选择使用电力载波和Zigbee两种传输方式发送给后台MCU，如果出现险情，与此同时系统就会通过GSM短信模块向实验室管理人员手机发送报警短信，后台MCU在接收到中转站发来的数据后将进行一定的处理，再通过串口直接发送给PC机。系统各组成部分数据传输方式如图3所示。

2.2.1智能传输通道硬件设计

（1）GSM短信模块。ZWG-03A是一款基于GSM网络的智能短信收发终端设备，用户不需关心数据传输细节，通过其提供的RS232接口，即可完成短信收发，使用非常方便。可以通过配置工具及短消息这两种方式来整合设备，实现在GSM网络覆盖范围内的任意传输。

（2）电力载波模块。电力载波模块是传输通道的重要传输模块之一，能够完成数据调制到电力线的功能。BWP20 电力载波模块提供半双工通信功能，可以在220/110V，50/60Hz 电力线上实现信号调制和解调。该模块为用户提供了透明的数据传输通道，数据传输与用户协议无关，由用户通讯协议验证数据传输的可靠性。在同一台变压器下，多个BWP20模块可以连接在同一条电力线上，而且在主从通信模式下，模块将分别单独工作，不会相互影响。

（3）MAX232电平转换。由于控制器既要连接提供RS232[2]接口的ZWG-03A，又要连接提供UART接口的Zigbee，为了节省成本，使用控制器固有的UART通过MAX232芯片转换后连接ZWG-03A模块，而利用IO口模拟UART连接Zigbee模块。

单片机的UART接口采用TTL电平，设定正逻辑，电压范围0～5V，短信模块和电力载波均采用RS232接口，电压范围±15V之间，为了能相互通信，需要实现电平匹配，使系统的工作稳定而可靠。在实际使用过程中一般采用电平转换芯片，本系统则采用MAX232。

2.2.2覆盖组网与传输

数据传输中转站在本系统中担任了异构融合网络中继的角色：借助Zigbee网络完成与前端监测模块通信；利用电力载波通信和Zigbee网络实现与后台PC机通信；通过GSM网络与实验室管理人员手机通信。由此而实现了底层数据采集、数据的网络传输及其上层数据应用。

为了适应监测点的动态添加和移除，前端节点与传输中转站均通过Zigbee协议[3]完成通信。因前端监测设备节点数量少，通信距离近，且需要前端节点数量能够随时动态增减，组网时采用的是星型网络结构。从中转站到后台数据处理模块之间采用Zigbee无线和电力载波有线两种传输路径进行数据传送。无线传输虽然方便快捷，但在一定的情况下却可能会导致传输数据的丢失，因此同一过程也还要采用电力线进行数据传输。在后台获取数据的时候，则可将两种路径传输来的数据进行对比，确定传输数据的可信度，降低数据在传输过程中发生错误的概率。而在此期间，实验室管理人员还可以借助手机接收远程报警短信。

3系统的实现及测试

系统构成包括了如下部分：多套传感器、前端监测模块、数据传输中转站、GSM短信模块、电力载波模块、后台数据处理模块等。其中，前端监测模块、数据中转站、后台数据处理模块的主控制器均采用STC12C5A60S2单片机，而其控制程序则采用高效的C语言编写。各个控制模块软件实现流程即如图4所示。

本系统模拟监测两个实验室，所以配备2个监测模块，分别连接红外传感器—用于监测是否有人入侵，以及烟雾传感器和温度传感器—用于监测是否有火情以及温度是否正常，并通过所连接的ZigBee模块，将监测获取数据实时传送至中转站。中转站涉及的是转发模块，分别连接ZigBee模块、电力载波模块以及GSM手机模块。后台存储着数据处理模块，分别连接电力载波模块、ZigBee模块和一台PC机。在配置完成系统各部分模块后，确认传感器完好无损，运行监控软件，并给各个模块上电，联合调试。具体测试布局如图5所示。

分别改变各传感器监测对象的条件，系统能够及时地向上反馈信息。从实验室监测模块到中转站间ZigBee无线传输偶尔有数据丢失，由于发送频率较高，所以对结果影响不大。中转站到后台是通过两条路径进行数据传输，可靠性较高，在测试过程中未发现数据遗漏。通过办公室的监控软件查询两个实验室状态，系统也能及时地收到回复。人为改变传感器监测条件，使其满足报警条件，管理人员手机也能及时收到报警短信。经过长时间连续测试，系统仍平稳可靠工作。

4结束语

本文将物联网与实验室安防系统相结合，研究了基于物联网的实验室安防系统的结构原理和软硬件设计。该系统采用了泛在网工作委员会提出的物联网三层结构，按照感知层、网络层和应用层的结构设计[4-5]。前端感知设备与数据传输中转站之间借助低功耗的Zigbee技术，采用星型拓扑结构，实现了无线网络通信。在网络层，可通过Zigbee技术、GSM短信技术和电力载波技术，以冗余链路的方式将数据可靠地传送到后台PC机和管理人员的手机上。最后，模拟实验室环境，搭建了安防信息采集系统，经系统测试，取得良好效果。

参考文献：

[1]TAN L，WANG N.Future internet：the interne of things[C]//3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering（ICACTE）， 2010， 5：376-380.

[2]DAFALLA Z I， BANI-YOUNIS J A，WAH L K.Design and analysis of control system using neural network for regulated DC power supply[J].Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China，2011（4）：65-68.

[3]张莉. ZigBee技术在物联网中的应用[J].电信网技术， 2010， 3（3）： 1-5.

[4]杨广学，李凤娇，慕香永，等.基于物联网的家居安防系统设计[J].计算机应用，2010（S2）：300-302，318.

[5]李纲，任国恒，王迆冉.基于Zigbee技术的家居抄表系统设计[J].智能计算机与应用， 2014（1）：20-23.