基于无线传感网络的实验室监管系统设计

田纪亚 王超

摘要：文章主要研究实验室监管系统的软硬件设计方案，设计主要包括传感器采集系统、无线传感网络系统、设备控制系统3个部分。实验室监管系统利用传感器采集实验室数据信息，通过无线方式将数据汇聚至上位机控制系统进行实时显示，移动终端控制系统通过移动网络远程访问上位机进行远程监控。最终根据采集的数据信息实现人为控制与智能化控制，单一控制与多元控制相结合的智能监管方式。

关键词：无线传感网络；CC2530；移动终端；上位机

目前，大部分性能较好的实验室监管系统能够对实验室的环境信息进行简单监管，可录入出入实验室人员相关信息，可控制实验室的相关设备，但多项任务需要人为主动控制。电子白板、遮光板、投影仪需要人员操作，环境监管仅是大概的环境数值，所有设备均独立工作，单独控制设备，不能智能化监管和管理实验室运行情况，既不方便，又增加人力成本和资源损耗，无法滿足现代化实验室的管理和监管，更无法适应如无菌、高低温等对环境和人员有特殊需求的实验室的有效监管[1]。因此，设计一款智慧化监管、操作简单、价格低廉，集环境监管、设备管理、人员控制三维一体的实验室监管系统具有一定的经济价值和现实意义。

1 系统总体设计

该系统设计主要面向实验室人员管理、设备调整、环境监控等因素，主要包括由传感器、终端节点、协调器组成的无线传感网络，负责将数据信息汇聚分析和处理的上位机控制系统，用于远程实时监控的移动终端控制系统3个部分。

传感器采集系统主要包括光照传感器、人体红外传感器、火焰传感器、温湿度传感器以及射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）射频采集系统。传感器负责采集实验室信息，如光照强度、火患信息、温湿度、非法入侵以及出入人员情况等信息。采集的数据信息经过终端节点无线发送给协调器，协调器将汇聚的数据经串口发送给上位机控制系统进行分析和处理，移动终端控制系统通过移动网络远程访问上位机服务器进行远程监控。设备控制系统包括投影仪控制电路、白板控制电路、遮光控制电路、通风控制电路、门禁控制电路、总报警电路，设备控制电路由协调器直接控制。系统原理框如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制系统

控制系统设计中采用德州仪器ZigBeeCC2530无线射频微处理器，包括多个终端节点和协调器。终端节点主要功能是采集传感器的数据并利用无线传感网络将数据发送给协调器，协调器负责搭建无线传感网络并汇聚采集的信息。为满足无线稳定传输、降低功耗、多元化控制等需求，设计采用2.4 GHz频段及15信道，具备较好的抗干扰能力，特别适合短距离无线通信系统应用[2]。

2.2 传感器采集系统

传感器采集系统设计中包括光照传感器、火焰传感器、温湿度传感器、红外热释电传感器以及RFID射频采集单元。光照传感器和火焰传感器经过AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，温湿度传感器和红外热释电传感器直接与终端节点相连，射频采集电路主要用于出入实验室人员刷卡信息的采集和分析[3]。

2.3 设备控制系统

设备控制系统主要包括门禁管理系统、制冷/热系统、投影控制系统、遮光系统、电子白板系统及声光报警系统6个部分[4]。传感器采集系统采用直接（温湿度传感器、红外热释电传感器以及RFID射频采集单元）和间接（光照传感器、火焰传感器）的方式与终端节点相连，多个终端节点加入无线传感网络，并将信息发送给协调器，有效覆盖距离60 m。协调器安装于实验室的中前部位置，终端节点排布于实验室4个方向。为保证光照传感器实时获取实验室光照情况，须安装于窗口附近。红外热释电及温湿度传感器置于实验室不同方向，实时采集室温湿度信息及室内外人员情况。门禁管理系统用于读取出入人员卡信息，并将信息传递给上位机服务器进行存储。设计中采用4路火焰传感器并置于实验室顶部，分别采集四周的火情信息。当异常情况发生时，系统会进行声光报警，同时GSM模块直接向管理者的移动终端拨打电路。系统电路示意如图2所示。

3 系统软件设计

3.1 控制系统界面设计

实验室监管系统的软件设计是指上位机系统界面和移动终端系统界面两个部分。上位机界面采用VC++6.0软件完成，利用MSComm串口通信控件获取来自协调器的数据信息并进行实时显示。移动终端可利用移动网络访问上位机服务器，进行数据查询和数据交互[5]。

软件设计流程：（1）系统初始化，启动各项任务轮询。（2）执行各种数据的调度与分析，并存入数据库。（3）多线程进行数据采集，获取的各项基本信息并进行显示。（4）串口数据更新，发送决策命令。

3.2 无线传感网络系统设计

无线传感网络系统设计是指设计协议栈底层程序，主要研究组网、接收、发送3个部分的内容。协议栈版本采用Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 版本[6]。

软件设计流程（见图3）：（1）系统初始化，主要包括在关闭中断情况下，初始化板载10， HAL层，MAC层，NVFlash等，接着进行操作系统初始化，然后启动操作系统进行任务大轮询。（2）检测组网情况，并进行信息反馈，如组网失败则返回至初始化部分，成功则开始逐个采集外界环境信息。（3）判断环境信息采集情况，并进行无线数据发送。

4 系统测试

测试过程中该系统具备环境因素调节、设备监控、出入人员管理、自动化精准控制等功能，可同时组建多个不同类型的特殊实验室监测方案，既适用于普通实验室的管理，也可承担特殊类型实验室，如高低温、无菌等对环境因素要求较高的实验室监管工作，提高了实验室管理的效率，降低了人力成本，具有较好的经济效益和实用价值。

[参考文献]

[1]廖庆敏.高校实验室安全管理之思考[J].实验室研究与探索，2010（1）：168-170.

[2]林荣锋，文慧玲，陈秀娟，等浅谈高校实验室安全管理的问题[J].实验室研究与探索，2011（8）：429-431.

[3]黄学飞，李兆飞，诸进才，等.基于ZigBee的实训车间无线监控系统[J].微型机与应用，2012（9）：88-90.

[4]罗武胜，鲁琴，张勇.超宽带无线传感器网络MAC协议[J].计算机工程，2008（11）：108-110.

[5]高峰，俞立，卢尚琼，等.国外设施农业的现状及发展趋势闭[J].浙江林学院学报，2009（2）：279-285.

[6]徐小涛，黄秋实，吴延林，等基于ZigBee的WPAN网络配置应用[J].今日电子，2009（7）：36-38.