基于ZigBee的实验室安全监控系统设计

曹海洋　靳晟　乃比·巴瑞　艾力卡尔·艾尼瓦尔

摘要：为了实时获取实验室内环境数据并且能够远程实时监测预警，科学高效地对实验室内进行管理，该文设计了一套以ZigBee为核心开发板的远程数据采集与控制的实验室智能安全监控预警系统。该系统利用物联网技术，实现了对实验室内传感器所采集的数据进行信息智能化整合，通过HTTP协议将整合的传感器数据发送OneNET云平台上，通过云平台中远程监控实验室内环境。该系统将实验室内环境数据科学化、信息化，有效地减少了人工手动到现场对实验室安全进行检测的时间，也减少了实验室可能发生的意外情况，实现了实验室远程监测的科学化、信息化管理。

关键词：云平台；ZigBee；实验室安全；嵌入式开发

中文分类号：TP311.1     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）01-0101-03

1 引言

实验室是科研和教育的一个关键部分，是教学、培养的一个主要场所。对智能化监测提出了更高的需求。同时，作为智能化监测的一种，实验室的综合性监测系统也将发挥更大的功能。

由于区域间的发展水平和使用者对综合监测的要求各不相同，因此建立了一种既完备又灵活的综合实验室监测体系，尤其是采用了网络技术，使其运行更加方便；在此基础上，进一步完善了实验室的一体化监测体系。

采用多种传感器，对室内温度、湿度、CO2浓度、水位等进行实时监测；通过电力等参数的采集，并将所获得的各种参数及所获得的资料进行数字转化、整理，并通过传送网将其实时上传至OneNET平台；根据实验室的技术指标，进行了实时监控和报警，达到了科学化、信息化的目的，降低成本和人员损耗。

2 系统总体设计阐述

本文围绕实验室内环境进行深入探究，按照实用、可靠、有效的原则，使用近几年新出的无线通信技术——ZigBee 技术[1]，如图1可见，该系统由ZigBee协调器、ZigBee终端和PC主机组成，实现了实验室的远程监控。ZigBee终端通过使用温湿度传感器、二氧化碳传感器、水位传感器等传感器对实验室内环境的空气温湿度、CO2浓度、水位情况等数据进行实时获取，将获取的数据传给ZigBee协调器，之后通过ESP8266模块连接OneNET云平台，并将数据显示在OneNET云平台中的数据可视化大屏中，对火焰、水患、电力等突发情况监测并报警，实现监控管理信息化，通过对各类传感器情况的监测，保障实验室内无突发意外情况，在OneNET云平台中对实验室实行远程监测。通过科学化的管理，实现智能化的实验室监管，有效控制成本，减轻人力资源，有效地减少了突发情况所带来的损失。

2.1 移动网络通信

实验室内部的各类传感器实时采集室内的温湿度、水位、CO2浓度、电流等参数通过ESP8266发送至各ZigBee节点所建立的WebServer中，ZigBee启用无线终端模式连接WIFI。客户端ZigBee通过HTTP请求依次访问各节点的WebServer，并将各节点传感器参数整合通过HTTP协议接入中国移动OneNET平台，将采集到的传感器参数发送至OneNET平台，将各参数通过OneNET数据可视化view3.0展示在智慧大屏中，如图2所示。通过对数据的分析在智慧大屏中下发命令实现对实验室内安全提供预警作用（如：水位过高报警；CO2浓度过高报警;温度过高报警）。

2.2 局域网通信

各节点ZigBee建立WebServer，使用HTML语言设计网页，局域网内用户可通过浏览器访问ZigBee所建立的WebServer实时获取各类传感器数据，在所建立的WebServer中获取实验室内各传感器所获得的参数，如图3所示。

3 硬件详情与功能应用

基于ZigBee的实验室智能安全监控预警系统实时采集实验室内部的环境，并对异常情况发出警报，避免危险状况发生。本系统通过温湿度传感器采集室内温湿度情况，与烟雾传感器所采集的煙雾情况配合，判断是否发生火灾，如果发生火灾等情况则会发出警报，提醒工作人员前往查看。通过水位传感器监测室内有无漏水情况，避免出现漏电损坏线路等情况。本系统通过ESP8266模块，在OneNET平台上展示所采集的数据，工作人员通过上传的数据来监测实验室内的各种情况，并根据所获得的实验室内各项数据，对实验室进行管理。

3.1 ZigBee

在 IEEE802.15.4中，ZigBee采用了Mac层和PHY层。本协定所述技术是低功耗和低成本的双向无线通讯技术。该产品适用于自动化及遥控等行业，能够在多种应用场合中实现 GPS定位。

在ZigBee网络节点中，使用到了ZigBee终端和ZigBee协调器，ZigBee终端用来传数据，将实验室内的温湿度、CO2浓度、水位、电流等数据，将数据返回给ZigBee协调器。协调器相当于网关，是ZigBee网络整体的核心，ZigBee终端所采集到的数据将会返回给协调器，由协调器启动并连接网络。

终端节点所采集的数据可以与协调器之间进行通讯，两个终端节点不能直接进行联系。如果两个终端节点需要进行通讯联系，需要借助协调器节点进行联系，这样两个终端节点之间才可以进行相关信息的获取和转发操作[2]。

使用ZigBee网络有很多优势，例如低成本、低功耗、短时间延迟等，在实验室这个环境下，只需几个ZigBee终端设备就能采集大部分数据，成本较低，且只需要两个5号电池就能工作6到24个月，甚至更长时间。

在ZigBee网络中，使用了四个ZigBee终端来进行各项数据的模拟量采集，之后将采集的温湿度、CO2浓度、水位等数据通过天线发送给ZigBee协调器，并通过ESP8266模块连接并发送至OneNET云平台，将实时得到的数据展示在可视化界面中，便于工作人员对实验室内情况得到更好的了解，提高了实验室的安全性，也提高了对实验室的监管能力。

3.2 水位传感器

水位传感器是一种能感受水温水位的传感器，并且将感受到的水温水位转变成变化的电信号。将水位传感器放置于实验室内暖气附近，用于检测暖气是否有漏水的情况，并将获得到的水位信号发送到PC端，PC端将测得的水位信号与固定值地平面做出比较，如果水位超出地平面，就判定为实验室有漏水情况，则会发出警报，让工作人员检查实验室内情况，保证实验室不会因为漏水而引发漏电的情况。

3.3 温湿度传感器

本次使用了DHT11温湿度传感器，它的精度较其他温湿度传感器来说，算是比较出色的一类。通过温湿度传感器与ZigBee终端连接，进行对实验室温湿度的采集，之后在OneNET数据可视化界面展示，方便工作人员进行检查，减少意外的发生。

3.4 烟雾传感器

烟雾传感器通过监测烟雾浓度，判断火灾发生的情况。内部采用了光电感烟器件，在实验室、仓库、家中等进行火灾安全检测。烟雾传感器内置蜂鸣器，检测发生火灾时可以发出报警声响。在实验室中，如发生火灾，室内产生的烟雾被烟雾传感器检测，传感器发出响声，让工作人员能够反应过来并前去查看情况，预防更大的损失产生。

3.5 ESP8266

ESP8266是乐鑫公司为物联网专门开发的低成本、低功耗WiFi芯片。它具有无线上网功能和强大的处理能力。

ESP8266作为主要的MCU，不需要与其他单片机一起使用。它可以使用ESP8266的GPIO端口功能来收集数据和发送控制信号。接收端的ESP8266使用无线互联网功能与OneNET平台建立网络连接，并将数据上传至OneNET[3]。

本系统通过ESP8266模块将ZigBee上各传感器所获得的数据，上传至OneNET平台，将各参数通过OneNET数据可视化view3.0展示在智慧大屏中。

3.6 信号放大电路

为了检测电路中是否有电流通过设立了两个方案。

电流互感器：电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中。通过将线路中的火线穿过电流互感器来检测电流，通过使用DCDC变换器，将电流互感器所能承受的电流固定在5A，之后通过电流互感器检测线路中是否有电流通过，但是因为实验室的电路一般都安放在墙体里，而且穿线也有一定的用电危险，所以换了另一种方法。

信号放大电路：在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。构造了一个简单的放大电路来放大可能出现的微弱电流来判断线路中是否有电流经过。通过两个线圈[4]与电场附近的磁场相互作用，产生了一个微弱的电流，通过串联几个三极管来将微弱的电信号放大来检测是否有电流通过。

4 ZigBee+PC接入OneNET平台详细

图4为ZigBee+PC接入OneNET平台。

4.1 创建产品，添加设备

将ZigBee+PC接入OneNET平台，理论如图4所示，首先进入OneNET平台多协议接入，添加产品并完善信息，选择接入方式为HTTP协议接入，然后再为产品添加设备，完善产品信息，记住产品ID、设备ID。

4.2 开发环境搭建

1） 下载IAR IDE：https：//www.iar.com/iar-embedded-workbench/。

2） 选择IAR IDE语言。

3） 安装驱动。

4） 激活软件。

4.3 连接WIFI

使用WiFi.begin（ssid， password）函数，ssid设置为WIFI名称，password设置为WIFI密码。

4.4 连接OneNET云平台

client.setServer（mqtt_server， 6002），使用6002端口设置客户端连接的服务器，连接OneNET的服务器。

client.connect（mqtt_devid， mqtt_pubid， mqtt_password），客户端连接到指定的设备和指定的产品，同时输入鉴权信息。mqtt_devid设置为ONENET中的设备ID，mqtt_pubid设置为产品ID，mqtt_password设置为产品的鉴权信息[5]。连接成功后，可以登录OneNET查看产品是否在线。

5 结束语

为了对实验室进行更有效、更方便、更安全的监测，设计了基于ZigBee的实验室智能安全监控预警系统，在科学技术的不断发展中，对于实验室的安全更加重视，本系统采取了价格更低，安全性更好的一套方法，可以实现对实验室实时监测并预警的功能，省时省力。经过调查，大多数实验室所受到的灾害无非火灾、水灾、漏电等情况最为严重，通过此系统的实现，可以实时观察实验室内情况，减少意外情况的发生，并且在发生意外情况时发出预警以减少更多不必要的损失。结合日益发展的物联网技术，本系统实现了在移动网络中通信和局域網中通信，对实验室环境数据的实时获取。此外，本系统的价格低廉，稳定性也有所提高的同时，功耗也更低了，有很大的发展前景。

参考文献：

[1] 冯伟，彭力.基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统[J].现代电子技术，2021，44（3）：11-15.

[2] 石瑛.基于ZigBee与WiFi深度结合的智能家居系统的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2019.

[3] 张萍.基于ESP8266和OneNET云平台的远程报警系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2017，17（12）：64-67.

[4] 马兴忠，蹇桂花.磁生电演示实验的改进[J].科学咨询（科技·管理），2020（6）：131.

[5] 李小珊.一种基于OneNET物联网的电梯数据远程监测系统[J].中国电梯，2021，32（19）：13-15.

【通联编辑：梁书】