基于ZigBee无线技术的实验室安全监控系统设计

汤仕晖，颜喜清

（宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江 宁波 315040）

基于ZigBee无线技术的实验室安全监控系统设计

汤仕晖，颜喜清

（宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江 宁波 315040）

设计了一套基于ZigBee无线传感器网络的实验室安全监控系统，能够实时地监控实验室的温度、湿度、有害气体、防盗和设备供电等各种指标，并具有对异常情况做出报警和处理的功能。该系统具有低功耗、低成本和扩展方便等特点，克服了传统有线监控系统的缺陷，对于保障实验室的安全具有重要的意义。

紫蜂协议；无线传感器网络；安全监控

0 引言

实验室內的仪器设备价格昂贵，对环境条件的要求较高，因而如何有效地监控实验室的安全运行便成为了一项重要的任务。传统的安全监控系统多数是基于有线网络构建起来的，但是，随着对实验室安全监控系统的要求的不断增高，有线安全监控系统逐渐地突显出了其不足之处。例如：1）由于有线安全监控系统需要依靠电缆作为传输信号线，而电缆可能出现老化、潮湿短路等现象，并且电缆本身抗干扰能力差，无法适应强干扰环境，因此有线安全监控系统的可靠性相对而言较低；2）有线安全监控系统存在线路施工成本高、维护困难以及组网复杂等缺点；3）实验室安全监控的指标包括实验室内的温湿度、有害气体报警、防盗和供电情况，以及设备运行情况等，传统的安全监控系统只能监控其中几种指标，若要监控所有的指标，往往需要多套系统，因而传统的监控系统不能集中化、综合化。

因此，本文采用ZigBee无线技术和无线传感器相结合的方案，设计了一套基于ZigBee无线传感器网络的实验室安全监控系统，该系统能够对实验室内的温度、湿度、有害气体、防盗和设备供电等情况进行实时地监控，并且能够对异常情况做出报警与处理，对于保障实验室的安全具有十分重要的意义。

1 ZigBee无线技术的介绍

1.1 概述

ZigBee技术是以IEEE 802.15.4标准为基础而发展起来的、面向自动化和远程控制的双向无线通讯技术，目前已经被广泛地应用于移动终端、远程监控和工业控制等领域，具有近距离、组网简单和低功耗，以及低成本等优点[1]，而且ZigBee网络最多可以支持64 000个网络节点，通过ZigBee协议可以在众多的节点之间实现数据的双向通信。

1.2 ZigBee无线网络节点的类型

组成ZigBee网络结构的器件分为全功能设备（FFD：Full Function Device）和精简功能设备（RFD：Reduced Function Device）两种。全功能模式的器件具备发送和中继的功能，而且具有强大的数据处理能力；精简功能模式的器件仅仅起到收发信号的作用，不能起到路由器的作用。一个Zig-Bee网络通常由协调器、路由和终端3个部分组成。协调器是整个网络的心脏，必须由一个全功能形式的设备充当，起到建立网络的作用；终端节点既可以是全功能设备，也可以是精简功能设备[2]。

1.3 ZigBee无线网络拓扑结构的形式

ZigBee无线网络拓扑结构包括星型网络结构、树型网络结构和网状网络结构3种[3]。无线网络的拓扑结构如图1所示。

星型网络结构是最常见的网络配置结构，经常应用于远程监测与控制中。树型网络一般应用在分布距离比较远的场合，能够很好地解决因设备的功率不够而导致的覆盖率不足的问题，使得网络结构简单化，降低了对系统设备的要求。网状网络结构具有较强的环境适应能力，比星型网络结构和树型网络结构更为复杂，因而其通信质量没法得到保证 [4]。

图1 ZigBee无线网络的3种拓扑结构

2 系统的整体结构的设计

本系统主要由无线传感器终端节点和主协调器节点两部分组成。实验室安全监控数据的采集和传输是靠部署在各个实验室内的无线传感器终端节点来实现的，该无线传感器的终端节点的最大容量可以达到245个节点。实验室监控信息的传送是靠协调器节点来完成的，协调器节点利用串口把数据信息传输到PC机上，经过相关软件的处理，实验室内的温湿度变化情况、有害气体、防盗报警和供电电流情况等信息都会及时地显示。本系统的总体架构图如图2所示。

图2 系统的总体架构图

3 系统硬件的设计

3.1 系统核心板的设计

本系统采用TI公司的CC2530F256芯片作为主控芯片，该芯片内部自带一个8051单片机，另外配置了8 K的数据存储器和256 K闪存[5]。在电路的设计中，终端节点和主协调器节点均采用FFD类型的设计，两者的差异主要在于终端节点中加入了多种传感器 （包括电流、烟雾、红外和温湿度传感器），并且增加了控制电路的继电器模块，能够起到控制电路的通断的作用。

硬件电路是整个系统的功能实现的基础，我们的设计思路是核心电路板和扩展板硬件电路分开设计，它们构成了硬件电路的总体。系统的总体硬件电路架构框图如图3所示。

核心板的电路采用IO电路，扩展接口与扩展模块进行连接，通过在电路的前端发射位置配置功率放大器，解决了传输距离的问题。扩展板硬件电路通过各类传感器模块来采集各种外部环境参数，利用LED显示屏来显示采集到的数据，并通过USB转串口通讯模块来完成数据的传输，无线节点核心板的电路设计图如图4所示。

3.2 传感器模块的介绍

为了能够采集实验室内的温湿度、烟雾浓度和电流等安全参数，本系统选用了4种不同的传感器模块来实现上述功能，分别是DHT11数字式温湿度传感器、HC-SR501人体红外传感器、MQ-2有害气体传感器和WCS1600霍尔式电流传感器。

图3 系统的总体硬件电路架构框图

图4 无线节点核心板的电路设计图

DHT11数字式温湿度传感器由测湿度的元件和测温度的元件组成，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，其性能指标参数如表1所示[6]。通过与CC2530的ADC转换器相连，DHT11数字式温湿度传感器的I/O输出能够周期性地读取温湿度数据。

表1 DHT11温湿度传感器的性能参数

HC-SR501人体红外传感器采用德国进口的红外线探头，具有灵敏度高、可靠性强等优点，能够提高监控系统的防盗性能。当该传感器模块探测到有人出现时，其便会输出高电平，从而触发中断，引发报警信号。

MQ-2有害气体传感器模块适合测易燃气体（例如：酒精、煤气和烟雾等），因而被广泛地应用在了火灾预警场合。通过检测D0口高低电平的状态，便可判断环境气体是否超标。

WCS1600霍尔式电流传感器具有电流范围宽、灵敏度高等优点。其工作流程是：传感器通电后，通过传感器的电流会生成相应的磁场，利用霍尔原理，传感器中便会产生与磁感应强度相对应的电压信号，该电压信号经由LM3 93放大器放大后，便可在CC2530芯片的ADC转换器中读取出相应的电压值，最后再将得到的电压值转换为电流值。

4 系统软件的设计

本系统的软件是在Z-Stack协议栈的基础上编写的，利用IAR Embedded Workbench 8.20开发程序分别对协调器节点和终端节点进行编程，实现底层硬件驱动、数据采集、数据收发、LED显示和串口通信等功能，完成系统软件的设计。协调器和终端节点的软件流程图分别如图5、6所示。

5 上位机软件及实验结果

主协调器利用串口与上位机进行通信，我们利用Visual Studio 2010进行上位机程序的编写。上位机软件可以实时地显示实验室内的温湿度数值及其历史曲线，能够对防盗、火灾和供电电流等状态进行监控，若出现异常情况就会触发报警。

图5 协调器节点软件流程图

图6 终端节点软件流程图

在调试时，本系统使用了2个终端节点，当打开程序后系统开始运行，软件的运行界面显示每个终端节点的环境温湿度、防盗报警和供电电流等信息，并可以显示温湿度的历史曲线。软件的运行界面如图7所示。

图7 软件的运行界面

6 结束语

为了能够满足日益复杂的安全监控系统的需求，本文利用CC2530芯片设计了一种无线的实验室安全监控系统，它利用主协调节点与终端节点进

行数据信息的传送，使用上位机软件实时地监控实验室内的安全指标，并具有对异常情况做出报警与处理的功能。此外，该系统还具有功耗低、成本低、实时性好以及可靠性高等优点，实现了整个实验室的管理和监控的一体化，对于保证实验室的安全运行具有重要的作用。

[1]沈建华，王维华.ZigBee无线网络与收发器 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[2]张晓华.基于ZigBee的自动抄表系统研究与设计 [D].青岛：青岛科技大学，2009.

[3]王赟.基于WSN的大气环境监测技术研究 [J].科技创新与应用，2013（26）：28-28.

[4]李志宇，史浩山.无线传感器网络微型节点的实现 [J].电子产品世界，2005（11）：115-117.

[5]杨利亚.基于ZigBee的无线传感器网络在智能家居系统中的应用 [D].浙江：浙江工业大学，2010.

[6]黄贤武，郑筱霞，曲波.传感器实际应用电路设计 [M].成都：电子科技大学出版社，1997.

美军试验海上牵拉航空系统 可拓展侦察范围

由美国国防高级研究计划局 (DARPA)“海上牵拉航空系统” (TALONS)项目支撑研发的低成本、全自动翼伞原型系统最近成功地在开放水域开展了演示验证试验。

TALONS原型可携带68 kg的情报、监视、侦察(ISR)和通信载荷，在舰船后方空域150～450 m的高度飞行。该飞行高度远大于舰船的桅杆，因此可以极大地拓展设备的工作范围和效能，提升舰船的远距通信和战场感知能力。

在开放水域试验之前，DARPA已成功地针对可以在小型舰船上使用的手持部署TALONS原型和在大型舰船上使用的桅杆部署TALONS原型开展相关试验。2014年6月，TALONS项目在亚利桑那州图森开展了陆基试验，当年12月在弗吉尼亚阿萨蒂格岛国家海岸实施了TALONS模型的试验和测试。

2015年3月，TALONS项目开始了台架试验；5-6月在马里兰州巴尔地摩的皮萨切克湾和弗吉尼亚州的弗吉尼亚海岸进行了开放水域外场试验，在不同的风力条件和舰船平台上进行了20多次飞行试验。在皮萨切克湾，TALONS项目团队完善了小型舰船手持部署技术，使原型系统飞至150m的高空，并调试了自动发射回收和自动驾驶系统；在弗吉尼亚海岸，项目团队使用桅杆部署技术使原型系统飞至450 m的高空，显示了其用于大型舰船的有效性。在成功开展外场试验后，DARPA可能会将TALONS技术装备给美国海军。

（摘自中新网）

Design of a Laboratory Safety M onitoring System Based on ZigBeeW ireless Technology

TANG Shi-hui，YAN Xi-qing
（Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China）

A laboratory safety m onitoring system based on ZigBee w ireless sensor network is designed.The system can monitor the temperature，humidity，noxious gas，security and the power supply of equipment in the laboratory in real time， and can deal with the abnormal situation.It overcomes the disadvantages of traditional cable monitoring system and has the advantages of low power consumption and low cost.Besides，it is easy to be expanded.Therefore，the design of the system is great significant to the security of the laboratory.

ZigBee；wirelesssensor network；securitymonitoring

TN 926+.23；TP 277.2

：A

：1672-5468（2015）05-0056-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.013

2015-05-20

2015-07-20

汤仕晖 （1984-），男，浙江舟山人，宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司工程师，主要从事可靠性与环境试验、可靠性工程研究工作。