基于ZigBee 的实验室远程监测系统设计*

周 旋，谌建飞，赵丹，杜亚兰，唐立军

（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114; 2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙410114）

基于ZigBee 的实验室远程监测系统设计*

周 旋1，2，谌建飞1，2，赵丹1，2，杜亚兰1，2，唐立军1，2

（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114; 2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙410114）

实验室智能监测手段的缺失使安全事故难以及时发现，同时实验室环境对远程实验的操作过程和实验结果具有很大的影响，需要对其进行有效监测并对险情进行报警。文章针对实验室环境监测及安防的需要，设计一个基于Zigbee的实验室远程监测系统，该系统由数据采集模块、远程通信模块和Web应用模块三部分组成，可以实现对实验室内温湿度、光强、火焰、有害气体浓度和人员入侵等数据的实时监测和险情报警。系统测试表明，该系统实时性强、监测全面、智能化程度高，能有效解决实验室环境监测问题。

远程实验室；环境监测；传感器；ZigBee

远程实验技术是信息化教育中较难解决但又必须解决的问题。由于许多实验在进行的过程中对环境有特殊要求，比如光照度、温湿度等对实验操作过程和实验数据有很大影响[1]，同时实验室智能化管理的缺失导致其安防成为一个不容忽视的问题，而目前对于远程实验中实验室环境监测及安防方面的研究还比较少[2］，现如今国内大部分高校实验室采用的管理和监控方案中，建置和维护成本较高，系统的灵活性和扩展性较差[3，4]。

针对这个需求，本课题研究一个基于多种传感器数据采集、ZigBee组网、以太网通信和Web应用的实验室远程监测系统。该系统能够对实验室温度、湿度、光照强度、空气中有害气体的浓度和人员入侵等数据的实时监测和险情报警，为减少远程实验中环境对实验操作以及实验结果的影响和在实验室安全性和智能化管理方面提供可行的解决办法。

一、系统总体框架

为了实时监测实验室环境状况并及时险情报警，减少实验环境对远程实验操作和结果的影响，该系统所应具备的功能有：①实时监测实验室内温湿度、光照强度、火焰、有害气体浓度和人员入侵等。②数据采集节点布置灵活和扩展性强，以无线通讯方式进行数据传输。③管理员可远程管理实验室并实时查看实验室环境状态和历史数据。④管理员可远程设定温湿度、光照强度和有害气体浓度报警上下限和开启人员入侵和火光检测，实现实时报警并记录报警日志。

根据以上需求分析，对远程实验室环境监测系统的总体框架进行设计，该系统分为数据采集模块、远程通信模块和Web应用模块。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

数据采集模块实现对实验室内温湿度、光照强度、火焰、有害气体浓度和人员入侵等数据的采集。该模块由中央处理节点[5]、路由管理节点和多种传感器组成，中央处理节点和路由管理节点是由基于CC2530芯片的ZigBee模块构成，传感器包括温湿度传感器、光照传感器、气体传感器、火焰传感器以及红外线传感器，传感器数据传输采用ZigBee组网，将数据通过中央处理节点直接或路由管理节点间接传给远程通信模块。

远程通信模块实现将中央处理节点接收到的数据转发至Web服务器，该模块的核心是一个支持以太网通信的STM32单片机，数据采集模块的中央处理节点与STM32单片机之间采用串口通信，STM32单片机与Web服务器采用基于TCP/UDP的网络通信方法[6,7]。

Web应用模块由Web服务器和数据库服务器组成，用于对实验室环境数据的存储和处理，实现实验室环境状况实时显示、历史记录查询和险情报警，并支持多种客户端访问。

二、系统设计

数据采集模块是用来采集实验室环境数据，通过ZigBee组网通信经过路由器节点间接或中央处理节点直接发送至远程通信模块，该模块由中央处理节点、路由器节点和多种传感器（温湿度、气体、光照、火焰、人体红外）组成。中央处理节点与路由器节点都采用基于CC2530芯片的ZigBee模块，中央处理节点下载中央处理节点程序，充当对外数据交换的总结点，路由器节点下载路由器程序，充当路由器用作通信中继点，另外每个数据采集节点也都由基于CC2530芯片的ZigBee模块搭载相应传感器组成。

温湿度数据采集采用SHT11传感器，温度采集精度可达到±0.5℃，湿度采集精度可达到±3.5%RH。气体浓度数据采集MQ-2传感器，该传感器对氢气、丙烷、液化气、天然气以及其他有害蒸汽具有很好的检测灵敏度，其检测浓度范围为300-10000ppm。光照强度数据采集采用GY-30传感器，该传感器对光谱的反应时间大约与人眼的反应时间相等，具有宽范围、高分辨率、光噪声抑制功能，可对白炽灯、卤素灯、荧光灯、白灯以及阳光的光照度进行监测，光学可调范围为0.11lx～100000lx[4]，小测量变差为±20%，红外线的影响非常小。火焰检测采用基于红外接收的火焰传感器，检测火焰波长在760纳米～1100纳米范围内，探测角度在60度左右，对火焰光谱的检测尤其灵敏，且灵敏度可调，火焰越大测试距离越远。人员入侵检测采用热释电红外人体传感器，能检测到方圆20米范围内活动的人[9]。

数据采集模块程序设计分为传感器数据采集节点和collectorEB-PRO（中央处理节点/路由器节点），传感器数据采集节点包括传感器数据读取和无线通信传输，传感器数据采集节点程序设计流程如图2所示。首先，把传感器扩展版模块设置成终端节点，然后对传感器进行初始化，处理终端节点的所有关键事件。射频模块通过协议传输确认与父节点取得联系后进行数据传输确认。确认数据打包捆绑工作完成后再次确认与父节点的联系，接收父节点数据发送的指令，完成对异步数据收发器端口的定义。开启传感器，传感器通过射频核心板加入网络，开始读取数据并传送至CC2530芯片。在上一次采集完毕后，重置传感器，再次采集数据发送至CC2530芯片进行临时数据存储，最终把累次采集的数据进行捆绑打包传输至父节点。

图2 传感器端程序设计流程图

collectorEB-PRO的程序模块图如图3所示。命令事件处理函数模块的功能是在任务事件启动时被操作系统调用唤醒。设备关键事件处理函数模块的功能是处理中央处理节点或者路由器节点装置的所有关键事件。开始确认函数模块在系统开始请求操作完成后由zigbee协议栈回调。数据发送确认函数模块在系统发送操作完成后，由zigbee协议栈回调。绑定确认函数模块在系统的绑定操作完成后由zigbee协议栈回调。允许绑定确认函数模块在另一个设备尝试绑定该节点设备是被zigbee协议栈调用。发现设备确认函数模块在传感器数据采集节点完成发现设备这一操作后，被zigbee协议栈回调。数据接收指示模块在设备接收到一个节点设备发来的数据时，被zigbee协议栈异步调用以通知应用程序。系统ping命令接收函数模块的功能是ping命令请求接收。建立系统ping响应函数模块的功能是建立并发送ping响应。网关报告建立发送函数模块的功能是建立并发送网关报告。虚拟报告发送函数模块被用于在PC GUI上对collector可视化。FCS和串行消息计算函数模块的功能是计算的FCS校验和串行消息。

图3 collectorEB-PRO的程序模块图

远程通信模块是转发实验室内传感器数据到远程Web服务器的通信核心[8]，采用STM32单片机来设计远程通信模块，支持串口通信和以太网通信。数据采集模块的中央处理节点与STM32单片机之间采用RS-232串口通信方式，波特率38400、数据位8、停止位1、无校验位。STM32单片机与远程Web服务器之间采用基于TCP传输协议的以太网Socket编程进行通信，将从串口接收到的数据通过以太网口发送至远端的Web服务器，TCP传输协议是一个面向连接的运输层协议，传输数据之前，需要先建立好TCP链接，传输结束后，则释放该链接，能够有效的保证通信的可靠性[10]。

STM32单片机只负责将数据进行转发不进行解释，因此中央处理节点与STM32单片机之间串口通信和STM32单片机与Web服务器之间网络通信的传输数据格式是相同的，具体见表1。

表1 传输数据格式

Web应用模块接收来自通信模块转发的实验室数据，对其进行解释实时推送到浏览器客户端，并将其保存到数据库中。另外还提供管理功能和报警功能，即管理员在线管理实验室、历史记录查询、实验室实时状况查询和系统超出上下限时自动险情报警，Web应用模块设计包括数据库设计和功能模块设计。

（1）数据库设计

系统的数据库主要包括以下两个方面的内容：

实验室的基础信息：每一条记录代表一个实际的实验室，用于存储和唯一标识对应实验室，管理员可以进行创建、修改、删除和查看操作，对其进行管理。

实验室的环境参数信息：包含实验室所要监测的各类环境参数如温湿度、光强、火焰、有害气体浓度和人员入侵等信息，方便管理员实时查看最新数据和历史数据。

数据库采用Oracle公司的MySQL数据库，下面将分别介绍系统的主要数据表，表2为实验室信息表，表3为实验室环境参数表。

表2 实验室信息表

表3 实验室环境参数表

通过对系统数据进行字段分析与设置相应的约束，并通过定义主从键对表与表之间进行关联，完成数据库功能设计。

（2）功能模块设计

①实验室管理功能设计

实验室管理主要实现新建、编辑、删除等操作，管理员通知身份验证后进入系统的实验室管理页面对实验室进行管理。图4为实验室详细管理流程，用户在进入实验室管理后，选择要进行的操作，如选择新建实验室则进入到新建实验室界面，输入实验室的相关参数，然后进行提交，此时会验证参数的合法性，如果通过则保存到数据库中，然后返回到实验列表面。编辑实验室与删除实验室则是对管理员选中的某一实验室进行操作，对于未开放的实验室不支持实验室环境参数的实时查看功能。

图4 实验室管理流程图

②实时状况查询及报警功能设计

实时状况查询及报警功能主要通过Ajax技术实现，Ajax技术通过异步请求向Web服务器发出请求，将最新的实验室环境数据以JSON方式传输到客户端中进行处理。客户定义了update函数用于Ajax异步加载数据，调用javascript的setInterval方法设定每隔1秒执行update函数。在进行客户端界面数据刷新前会执行数据检测和上下限值检测，如果数据与上一次的数据是同一数据则不进行更新，否则执行数据更新并与设置的上下限进行对比，如果超出限制范围发布险情报警。

③历史记录查询功能设计

历史记录查询功能用于帮助管理员了解实验室的历史状态，对实验室环境进行评估。管理员通过POST请求方式将用户选定的实验室的ID数据提交到后台，根据ID在数据库中检索出对应实验室的历史数据，经过处理后与视图结果一起返回给客户端，完成对应实验室的历史环境数据查询，图5为历史查询流程图。

实验室环境参数的客户端显示部分采用了Bootstrap框架中提供的一款多功能表格插件DataTable.js对数据进行显示。该表格提供了按照记录时间的先后、温度、湿度、光照强度、有害气体浓度以及人员入侵进行排序和筛选的功能。

图5 历史查询流程图

三、系统测试与结果分析

整个系统主要由基于Web的监测平台及基于Zigbee的无线传感器组网组成，图6为系统的监测界面，具有允许管理员实时查看温湿度、光照度、有害气体浓度等数据，并对人员入侵、火灾进行报警的功能，客户端界面能实时更新实验室环境数据。

图6 Web端监测界面

为了验证系统的性能，在这里采取几个实验对系统进行测试。数据采集模块测试方案及测试结果分析分别为：

用一个标准的温湿度计与实验室监测的温湿度传感器，同时同地点测量相同时间长度的实验室环境温湿度，然后通过远程实验网络平台查看。实验结果及数据如图7。

图7 对比曲线图

经过测试并对实验结果分析得到结论为：系统对于湿度采集的误差约为9.1%，温度采集的误差约为0.76。

主要测试它的监测覆盖范围，在实验中用打火机产生的火焰充当火源。实验结果如表4。

表4 火焰传感器范围测试表

经过测试并对实验结果分析得到结论为：该火焰火源感测范围为80cm。在实验室内多点安装后，能有效对实验室内火灾报警。

主要测试其感测覆盖范围，采用了5m、10m、15m、19m、20m、21m的抽样检测其监测覆盖范围，实验结果如表5。

表5 红外人体感应功能测试表

经过测试并对实验结果分析得到结论为：人体感应的最大距离为20m，经过多点安装，能在实验室遭遇人员入侵时报警。

通过以上实验及结果分析，可知组网的网络信号稳定，强度能确保传感器数据采集系统在实验室范围内正常通信。

四、结论

实验室远程监测系统使用ZigBee无线组网搭建一个室内多节点传感网络，实现实验室内温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等数据的采集，并且能对火灾以及人员入侵进行报警，方便管理员对实验室进行在线管理。本研究对实验室远程监测实现过程的数据采用、远程通信和Web应用开发进行了详细介绍，并通过系统测试验证了系统的实时性、监测全面性，对实验室远程监测技术与智能化管理技术的具体工程应用具有参考价值。

[1]郭振华.实验室智能监控系统的设计与实现[D].沈阳:东北大学,2009.

[2]黄莺.基于Android手机的实验室环境监测系统[J].实验室研究与探索,2014(10):91-93,128.

[3]王韦玮,马鹏飞,张永军,顾畹仪.物联网环境下基于B/S模式的监控系统[J].计算机与数字工程,2013(10): 1573-1575.

[4]赵帅.嵌入式Web远程控制的研究[D].大连:大连理工大学,2014.

[5]曹斌.ZigBee无线传感器网络协议改进及实现[D].上海:上海交通大学,2010.

[6]姜仲,刘丹.ZigBee技术与实训教程——基于cc2530的无线传感网络技术[M].北京：清华大学出版社,2014.

[7]T.de Almeida Oliveira;E.P.Godoy,ZigBee Wireless Dynamic Sensor Networks:Feasibility Analysis and Implementation Guide[J].IEEE Sensors Journal,2016(1).

[8]关丽敏,李阳,贺燕燕.基于B/S模式的远程监控系统的设计[J].工业控制计算机,2014(4):103-105.

[9]林叶锦,赵新伟,信海辉,侯延屾,闫舟洲.“一站式”实验室智能管理系统构建 [J].高校实验室工作研究,2016(2): 65-68.

[10]Samoil Ǎ,C.(Transilvania University of Braov, Braov,Romania);Ursutiu,D.;Jinga,V，”The remote experiment compatibility with Internet of Things”Source: Proceedings of 2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation,REV 2016,p 204-207,March 30,2016,Proceedings of 2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation,REV 2016.

（编辑：鲁利瑞）

TP315

A

：1673-8454（2017）04-0084-05

国家科技支撑计划课题（2014BAH28F04），湖南省教育厅科学研究项目（14C0031,15K009）。