基于STM32和ZigBee无线通信的实验室安防系统*

朱利娟，云中华，边巴旺堆，边巴次仁

(1.西藏大学 藏文信息技术研究中心，西藏 拉萨 850000; 2.西藏大学 信息技术国家级实验教学示范中心，西藏 拉萨 850000;3.西藏大学 工学院，西藏 拉萨 850000)

0 引言

近年来高校实验室安全事故发生频率不断增加，而导致这些事故的原因趋于复杂多样性，故对实验室安防系统提出了更新、更高的挑战[1-2]。传统实验室安防系统对安全事故的事前预警、事中及时处理、事后查询存在一定局限性[3-4]，同时易造成人员及设备等安防资源的浪费，为此改善实验室的安全防护是十分重要的。

本文提出了一种基于STM32和ZigBee无线通信的实验室安防系统，利用温湿度、光照、烟雾、人体红外、门禁等终端节点采集数据，将数据通过ZigBee网络发送至协调器，协调器通过串口与STM32通信，接收数据后以汉藏两种文字显示。若数据越限，将触发报警装置，同时将信息通过GPRS发送到用户手机，及通过以太网传送至学院管理中心，使危险信号得到及时处理，降低人员伤亡和财产损失。另外利用串口将数据传输到由LabVIEW编写的上位机中，并在上位机中以曲线的形式将数据实时显示、记录。实验证明该系统具有性能稳定、结构简单、测量精确、灵敏度高、成本低、能实时地采集终端节点的数据及克服了安防系统中有线传输方式带来的不便等优点。

1 系统总体设计

系统由下位机和上位机组成。下位机包括5个ZigBee终端节点、1个协调器和主控制器等。上位机主要对通过串口传输过来的数据进行分析、处理、监测及记录。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

图1中ZigBee无线网络是由1个协调器和5个终端节点构成的。终端节点首先加入由协调器发起的ZigBee网络，然后把测量各节点的数据传递至协调器，接着由协调器经串口发送至STM32，STM32接收数据后以汉藏两种文字显示，一旦检测到报警信号，除蜂鸣器报警外，还将危险信号通过GPRS网络发送到用户手机，及通过以太网传送至学院管理中心。另外STM32利用串口将数据传输到由LabVIEW编写的上位机中，并在上位机中实时显示、记录[5]。

2 系统硬件设计

温湿度传感器采用DHT11和DS18B20，精度分别达到±5%RH和±0.5 ℃，满足需要；烟雾传感器采用MQ-2，这是一款广泛应用于家庭、工厂的气体泄漏监测装置；光照传感器采用BH1750，它是一种两线式串行总线接口的数字型传感器，部分器件电路具体如下。

2.1 主控制器STM32及电路

STM32是一款运行速度快、低功耗、低成本的芯片，且芯片使用Cortex-M3内核[6]。STM32电路原理图如图2所示。

图2中主控制器STM32通过串口USART1_TX和USART1_RX与 ZigBee通信，通过串口USART3_TX和USART3_RX与GPRS网络通信，通过相应的GPIO设置与按键控制、蜂鸣器、以太网、继电器、步进电机等连接。

2.2 ZigBee技术及电路

ZigBee标准协议主要包括IEEE802.15.4 标准协议，具有低成本、低功耗、低速率、自组网及双向传输等特性[7-8]。它通过无线射频技术将数据从一个节点发送到另一个节点，网络容量大，通信效率高[9-10]。ZigBee协议中定义了3种设备类型: 协调器、路由器和终端节点。协调器主要负责网络的建立和一些相关配置。路由器主要负责寻找、建立、修复网络报文的路由信息，转发网络报文，提供信息双向传输功能。终端节点可以接收或发送网络报文，但不允许路由转发[11]。CC2530电路原理图如图3所示。

图2 STM32电路原理图

图3 CC2530电路原理图

3 系统软件设计

该系统软件包括上位机部分和下位机部分。系统下位机采用C语言编写。具体思路：首先编写各终端节点采集数据的功能模块，通过CC2530芯片将数据输出至协调器；其次设计协调器与STM32之间的串口程序、GPRS及以太网通信程序等。上位机采用LabVIEW编写，是将下位机通过串口传输过来的数据进行分析、处理、存储及实时显示。

3.1 系统下位机软件设计

3.1.1下位机软件主流程

DS18B20和DHT11采用“一线总线”接口通信制式，为此编程时需要用IO口模拟相关时序。MQ-2利用敏感元器件对不同浓度的气体导致电阻的不同得到相应的烟雾浓度值。BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型传感器，采用I2C接口。主程序流程图如图4所示。

图4 下位机软件设计流程

图4中系统上电后，主程序将完成一系列的初始化工作，加载串口、GPRS和以太网驱动程序，等待ZigBee网络的各终端节点的采集数据通过协调器传输至STM32。当STM32收到数据后，与所设定的初始值进行比较，若数据超过初始值，将通过UART2 向用户手机发送报警信息，并通过以太网将危险信号传送至学院管理中心。

3.1.2ZigBee无信通信程序

系统利用一个协调器和多个终端节点构成ZigBee通信网络，各终端节点负责采集信息，并将数据传送至协调器。其流程图如图5所示。图中ZigBee网络初始化之后，各终端节点首先请求加入由协调器发起的ZigBee网络，协调器发现有入网请求后进行组网，之后各终端节点将采集数据发送至协调器，接着由协调器经串口发送至STM32。

3.1.3藏文字符程序

藏文字符是一种拼音性字符，包括30个辅音和4个元音，其中辅音字母和元音字母构成藏文的一个音节字[12]。藏文构件集点阵字型设计以我国24×48藏文规范字型为基础[13]，藏文字符显示结果图如图6所示。

3.2 系统上位机软件设计

系统上位机采用NI公司的LabVIEW作为开发平台，LabVIEW作为虚拟仪器软件开发工具，在数据采集和人机交互方面有着十分明显的优势[14-15]。程序主要包括串口配置、VISA读取、数据处理、实时显示、存储、报警等。上位机软件流程如图7所示，程序功能模块框图如图8所示。

图8中首先在串口通信中设置波特率、串口号、数据位选择等。其次为了识别下位机发送的各终端节点采集的数据，设计一个标识符‘V’，在数据处理部分采用截取字符串方式，当标识符‘V’被读取时才进行数据处理。最后使用波形图标控件将数据进行捆绑及字符串显示、控件显示，且当接收的各节点数据大于特定值时，启动报警控件。

图5 CC2530通信流程图

图6 藏文字符显示结果图

图7 上位机软件设计流程

图8 上位机LabVIEW功能模块程序框图

4 系统测试

4.1 功能测试

系统下位机的实物测试结果如图9所示，图中STM32上电后，系统出现以藏汉文字显示的选择。 通过按键选择进入下个界面，该界面包括门禁系统、通讯测试、环境测试，用户可根据需求进行选择。系统将各终端节点采集的数据分别显示在液晶屏上，且系统每隔10 s刷新一次数据，通过环境测试可以清楚地了解当前实验室的情况。若参数越限，将引起蜂鸣器报警，并通过GPRS将危险信号发送至用户手机上，及通过以太网传送至学院管理中心。

图9 下位机实物测试结果图

4.2 性能测试

上位机LabVIEW前面板界面如图10所示。图中该系统以曲线和数字形式实时显示温湿度、光照强度、烟雾浓度等参数情况，并设计了报警系统及存储数据的功能。图中第一条曲线表示节点1，第二条曲线表示节点2，第三条曲线表示节点3，第四条曲线表示节点4，节点5测量人体红外信息，0表示无人，1表示有人，当有人侵入时启动报警装置。从图中可知，若某时刻人为改变各传感器周围环境后，系统能够较敏感地反映各传感器的变化。

图10 上位机前面板界面

5 结束语

本文提出了一种基于STM32和ZigBee无线通信技术的实验室智能安防系统，该系统以STM32作为主控制器，利用ZigBee无线网络通信技术实现实验室内网的建立，结合温湿度、光照强度、烟雾、人体红外等传感器采集各终端节点的数据，若采集参数越限可根据光照强度实现自动关窗帘，通过 GPRS实时向用户手机发送报警信息并启动报警装置，以及通过以太网将危险信息传输至学院管理中心。同时将采集到的数据通过串口与上位机结合，在上位机中实现了数据的实时监测、显示及存储。实验证明该系统具有运行稳定、结构简单、测量精确、灵敏度高、成本低、人机界面直观、能实时地采集各终端节点的数据和有效地避免了繁杂的布线等诸多优点。

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