基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统*

杨柏松 刘飞 陈金鹏 叶展鑫

（广东石油化工学院计算机与电子信息学院）

基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统*

杨柏松 刘飞 陈金鹏 叶展鑫

（广东石油化工学院计算机与电子信息学院）

针对传统实验室人工管理智能化程度底等问题，提出一种基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统。该系统通过温湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器等对实验室环境进行实时监测；控制平台通过传感节点数据判断实验室环境是否适宜，同时可实现对多间实验教学楼甚至整栋实验教学设备的智能化控制。实际测试结果表明：该系统具有省电、功耗低、通信可靠性高、数据安全、成本较低、网络容量大的特点，适用于大规模无线传感网络，可广泛应用于各大高校现代化实验室。

ZigBee；无线传感网络；智能管理系统；智能控制；实时监测

0 引言

针对上述实验室管理现状并结合我校的实际情况，提出一种基于无线传感网络的实验室智能管理系统。它融合了计算机、ZigBee网络、自动控制、传感等多种技术，涉及生态、环境、能源等多个领域，其实现基于策略的自动控制和信息交换，因此，该系统是综合了信息流和控制流的网络系统[8]。该系统打破了传统实验室封闭式的实验教学管理模式，真正实现面向广大师生全天候开放；合理利用资源，节能减排，提高实验室设备和资源的利用率；解决实验室人员杂、管理难度大等问题[9-10]。

1 系统设计

基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统总体框图如图1所示。系统首先利用温湿度、光照强度、烟雾等ZigBee传感节点检测实验室的不同区域，并获得所需的环境参数；然后通过无线网络将数据发送到实验室数据中心，并在上位机和手机终端显示当前参数；最后单片机通过数据分析和模糊控制,借助ZigBee终端节点对下属的制冷模块、灯光、温度以及光强等执行机构进行模糊化调节。同时设置独立的电子锁门系统与实验教学设备的控制系统，提高系统的容错性，使系统在无线传感网络失效时，仍然可以进行正常的实验教学计划。

图1 基于ZigBee无 线传感网络的实验室智能管理系统总体框图

2 硬件设计

该系统的硬件设计包括传感节点和控制节点的设计[11]。传感节点主要实现对环境参数的检测；控制节点主要实现对环境的智能调节和对实验教学设备的自动化控制。

1) CC2530模块[12-13]

系统无线传感及控制节点的硬件以CC2530F256为核心。CC2530支持最新的ZigBee协议—ZigBee 2007/PRO，支持网状网络，功耗低，节点通信距离较远，组网性能稳定可靠，相对于CC2430/CC2431性能更优，价格更低。

图2 ZigBee CC2530模块

2) 隔离抗干扰设计

在130 ℃条件下分别进行带壳、不带壳烘焙10、20、30、40 min，种籽衣总黄酮含量测定结果如图 2所示。与未烘焙种籽衣相比，种籽衣经过不同条件烘焙后总黄酮含量呈现不同程度的损失，其中，带壳焙烘焙种籽衣在20 min总黄酮含量较10 min略微上升后，继续烘焙总黄酮含量又会下降；不带壳烘焙的种籽衣总黄酮含量在10～30 min时间段呈现上升趋势，随后在40 min时降到最低。

在计算机控制系统的各个电路模块之间；现场采集与计算机控制之间；弱电控制与强电控制之间常采用的隔离方式有变压器隔离、继电器隔离和光电隔离。本系统在动作节点与协调器的连接部分带有继电器组，以实现强电与弱电的隔离。

3) 温湿度传感模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其原理图如图3所示，。设置温湿度传感器数据接入接口为P0_7。DHT11通过检测实验室环境中的温湿度，将数据传输到ZigBee终端；ZigBee终端再通过无线网络发送数据到协调器；协调器通过串口与电脑PC机进行通讯，并在上位机对应窗口进行显示。

图3 DHT11原理图

4) 光照传感模块

光照传感模块的原理图如图4所示。光照传感模块由光敏电阻和SRD-12VDC-SL-C继电器组成，为符合实际设计需要，该系统对灯光的控制采取双线控制原则，一方面当光照传感模块检测到环境光线低于设置阀值时，继电器吸合，灯光打开；另一方面通过PC端上位机界面或者手机终端界面进行灯光控制，上位机界面开灯、关灯按钮通过控件与P0_5 IO口连接。当对按钮进行操作时，P0_5 IO口自动产生高低电平，控制继电器的吸合和断开，实现灯光的开关控制。

图4 光照传感模块原理图

5) 烟雾传感模块

烟雾传感模块采用烟雾传感器MQ-2检测实验室的烟雾浓度，烟雾传感模块的原理图如图5所示。当传感器所处环境存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。设置烟雾传感模块的数据输入口为P0_6 IO口。当烟雾传感器检测到实验室空气的烟雾浓度大于设定浓度时，烟雾传感模块给P0_6一个电平信号，将电平信号接到报警电路，即可以实现烟雾报警功能。

图5 烟雾传感模块原理图

3 软件设计

ZigBee 技术是一种通信距离近、复杂度低、功耗低、成本低的全双工无线通信技术。ZigBee 技术基于IEEE802.15.4[14]，属于IEEE无限个人区域网工作组标准中的一项，称为IEEE802.15.4（ZigBee）[15]技术标准。

1) 开发平台与环境

ZigBee无线传感网络技术的软件开发以IAR为平台，嵌入式IAR Embedded Workbench适用于8位、16位以及32位的微处理器和微控制器。该平台为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持，可有效提高用户的工作效率。

2) ZigBee终端节点软件设计

本系统ZigBee终端节点主要工作是申请加入ZigBee网络后，与ZigBee协调器进行数据通讯。温湿度、光照度等终端节点负责把传感器的信息发送给协调器；风扇、电灯、窗帘、投影开关控制终端节点一方面负责接收协调器发送过来的控制命令，另一方面把开关的状态反馈给协调器。

3) ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器主要负责初始化CC2530F256及协议栈；把分布在实验室的传感器采集温度、光照度等信息的传感节点组建成ZigBee网络；监测ZigBee无线信号，如果有路由或终端节点加入网络，则给节点分配网络地址；接收网络中终端节点的数据，并通过UART传送给实验室显示控制终端；接收显示终端发送过来的控制信息，对数据解析重组后发送给指定的ZigBee终端控制节点，协调器的工作流程如图6所示。

图6 ZigBee协调器工作流程图

4) 系统上位机设计

系统上位机设计分为协调器数据到上位机的数据显示和上位机的网络连接和动作控制2部分。上位机示意图如图7所示。

图7 上位机示意图

其中显示的数据来源于ZigBee终端传感器，传感器将数据发送到ZigBee协调器，协调器利用VC++6.0的串口通讯功能将数据进行分类并显示在指定窗口[16]；网络连接和动作控制实现上位机到手机端和上位机到下位机之间的数据互动，上位机可以通过构建局域网实现与手机端的数据共享，也可以通过按钮的方式向下位机终端传输数字信号，接收到信号后终端利用继电器等功能元件开启或者关闭灯光，实现设备的远距离控制。

4 实验结果

基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统利用多个无线传感节点对实验室环境参数（光照、温度、湿度、烟雾等）进行检测；通过无线网络将数据传输至上位机进行显示，并与事先设定好的环境理想参数进行对比；根据与理想参数的差距对环境进行模糊控制，使得教室环境自动调节到舒适指标。门禁教学设备的智能控制采用单片机系统进行设计开发，首先设置教室密码锁，通过密码验证之后可以进入实验室；其次设计一个主机、投影灯设备的控制面板，利用按键实现实验教学设备的智能化控制，智能管理系统设计模型图如图8所示。

上位机测试数据如表1所示。

表1 上位机测试数据

以上数据表明，该系统可以准确检测实验室的环境参数，通过网络将数据上传到上位机，从而使单片机对数据进行分析处理，做到相应调节。

该系统成本造价如表2所示。

表2 系统成本造价

由表2可知，在传统实验室的基础上，该系统只需要千元左右就可以实现实验室的智能控制，经济实用，易于接受。

实际测试结果表明，该系统具有省电、可靠性高、数据安全、成本较低的特点，适用于大规模无线传感网络，可广泛应用于各大高校现代化实验室。

图8 系统设计模型图

5 结语

针对我校实验室自动化管理程度不高，实验室人员杂、资源浪费、管理难度大等问题，设计了基于无线传感网络的实验室智能管理系统。通过ZigBee无线传感网络技术将数据传送到ZigBee协调器，ZigBee

协调器与实验室中控平台相连接，进行数据分析、显示分析从传感器传来的数据；然后通过ZigBee协调器将信息反馈到控制节点，进而调节实验室的环境以及相对应的各项指标，以保证实验室的环境和各项指标在的理想状态下，从而解决了实验室自动化管理程度不高问题；同时基于无线传感网络的实验室管理系统可扩展性能好，不但可以应用在一间实验室，还可拓展到多间实验室甚至整栋实验楼。由于系统使用了烟雾传感器、温湿度传感器、光照传感器等，在测取烟雾、温湿度、光强等方面有一定延迟局限性，需要进一步研究，减少延迟误差局限性。

[1] 王江峰.基于ZigBee无线传感网络的实现[D].济南:济南大学,2010:5-20.

[2] 戴由旺.基于ZigBee的无线智能传感节点设计与实现[D].大连:大连理工大学,2008:6-25.

[3] 雷梁.基于ZigBee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究[D].成都:西华大学,2009:8-23.

[4] 徐向艺,王建玺.基于ZigBee无线传感器网络的实验室智能教学系统[J].计算机系统应用,2015,24(7):63-68.

[5] 史兵,赵德安,刘星桥,等.基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报,2011,27(9):136-140.

[6] 徐子豪,张腾飞.基于语音识别和无线传感网络的智能家居系统设计[J].计算机测量与控制,2012,20(1):180-182.

[7] 张玉亮,苏宇,李嘉伟,等.基于无线传感网络的智能家居安防系统[J].物联网技术,2015(6):28-31.

[8] 雷梁.基于ZigBee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究[D].成都:西华大学,2009:10-11.

[9] Ni Lionel M, Liu Yunhao, Zhu Yanmin. China’s national research project on wirelesssensornetworks [J]. IEEE Wireless Communications, 2007, 14(6): 78-83.

[10] Hussain S, Ikram M J, Arshad N. A low cost implementation of home area networks forhome energy management systems[C]. 2014 IEEE Fourth International Conference on Big Data and Cloud Computing, 2014: 688-695.

[11] 张雁琳.基于Arduino的ZigBee无线传感网络节点设计与实现[D].北京:北京工业大学,2015:46-47.

[12] CC2530[EB/OL].(2010－10－05)[2011－12－11]http://www.ti.com.cn.

[13] 刘辉,赵丽芬,孙番典,等.基于CC2530的 ZigBee 射频收发模块设计[J].云南民族大学学报(自然科学版),2012,21(6): 452-456.

[14] IEEE std.802.15.4-2003:Wirelessmedium access control (MAC) and physical layer(PHY) specifications for low rate wireless personal area networks(LR-WPANs)[S]. 2003.

[15] 王波,李文田,梅倩.滑坡监测的无线传感器网络定位系统设计[J].计算机应用,2012,32(7):1831-1835.

[16] 钱能.C++程序设计教程[M].北京:清华大学出版社,1999.

Intelligent Laboratory Management System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

Yang Baisong Liu Fei Chen Jinpeng Ye Zhanxin
(College of Computer & Electronic Information Guangdong, University of Petrochemical Technology, School of Computer and Electronic Information, Maoming)

In order to solve the problem of the artificial intelligence level of the traditional laboratory, a laboratory intelligent management system based on ZigBee wireless sensor network is proposed.The system through the temperature and humidity sensor, smoke sensor, light sensors for real-time monitoring of the laboratory environment; Control platform through the sensor data to determine whether a lab environment is appropriate, at the same time it can realize the experiment between the building and even more intelligent control of the experimental teaching equipment. Actual test results show that the system has a power saving, low power consumption, high reliability, data security, the characteristics of low cost, large network capacity, suitable for large-scale wireless sensor networks, which can be widely applied in modern laboratory at universities.

ZigBee; Wireless Sensor Network; Intelligent Management System; Intelligent Control; Real Time Monitoring

杨柏松，男，1970年生，硕士研究生，实验师，主要研究方向：电力电子及运动控制技术、嵌入式技术。E-mail: ybc2668@163.com

茂名市石油化工自动化工程技术研究中心创强项目（660016）