基于无线传感器网络的大学实验室风险预警系统设计

郎乾雯 朱林

摘  要： 针对传统风险预警系统预警范围过小的问题，设计一种基于无线传感器网络的大学实验室风险预警系统。传感器使用多个CC2420射频芯片，连接多个ZigBee协调器，整合为一个ZigBee传感器网络，使用XBee?PRO S2B上的UART串行接口，连接逻辑电平兼容的串行设备。设计数据监控软件，计算实验室环境状态量，得出实验室环境的风险系数，将风险参数值使用Java编程输入到实验室监控网络中心的客户端口，完成实验室风险预警系统的设计。实验结果表明，与传统的实验室风险预警系统相比，基于无线传感器网络的大学实验室风险预警系统预警范围更大，更适合实验室的风险预警。

关键词： 风险预警系统; 大学实验室; 无线传感器网络; 状态量; 风险系数; 预警范围

中图分类号： TN915.02?34; TP393                  文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）11?0076?03

Design of university laboratory risk early warning system

based on wireless sensor network

LANG Qianwen， ZHU Lin

（School of Electronic & Communication Engineering， Guiyang University， Guiyang 550005， China）

Abstract： Since the early warning range of traditional risk early warning system is extremely small， a university laboratory risk early warning system based on wireless sensor network is designed. In terms of the system hardware， several CC2420 RF （radio frequency） chips in the sensor are connected with corresponding quantity of ZigBee coordinators， which is integrated into a ZigBee sensor network， and the UART serial interface on XBee?PRO S2B is used to connect the serial device with logic level compatibility. In terms of the system software， the data monitoring software is designed， the state quantity of the laboratory environment is calculated to obtain the risk coefficient of the laboratory environment， and the risk parameter value is input into the client port of the laboratory monitoring network center by Java programming. The above contributes to the design of the laboratory risk early warning system. The experimental results show that， in comparison with the traditional laboratory risk early warning system， the university laboratory risk early warning system based on wireless sensor network has a wider range of early warning and is more suitable for laboratory risk early warning.

Keywords： risk early warning system; university laboratory; wireless sensor network; state quantity; risk coefficient; early warning range

0  引  言

無线传感器网络是一种分布式传感网络，网络中的每个节点是一个可感知世界的传感器[1]。传感器之间使用无线方式传输信息，这种分布式传感网络设置灵活，可以使用有线或是无线的方式与互联网连接，形成一个可以实时传输感知数据的网络，网络内部含有以传感器为节点的不同功能单元，不同单元之间相互作用，完成数据的采集、处理和传输[2]。本文设计一种基于无线传感器网络的大学实验室风险预警系统，使用灵敏的无线传感器网络严格监控实验室环境中的各项数据，预防安全事故的发生，保障人身财产安全[3]。

1  预警系统硬件设计

1.1  设计传感器终端结构

系统的硬件部分使用多个传感器，将采集终端与汇聚终端分单元设计。将传感器数据采集单元、MCU控制单元与ZigBee发送单元、电源供给单元连接，构成一个整体传感器末端，具体的设计结构如图1所示。

传感器数据采集单元使用功耗低的CC2420射频芯片，外围电路设计一个晶振时钟电路，一个与射频芯片相匹配的射频输入/输出电路，以及一个接口电路[4]。引脚连通内部晶振振荡器，产生一个16 MHz的参考时钟。使用射频输入/输出匹配电路，匹配芯片的输入输出阻抗，给芯片内部提供直流偏置。多个传感器使用RS 484总线与STM32处理器相连[5]。为了抑制共模干扰，选用iCoupler磁隔离技术的磁隔离芯片ADM2587E连接集成了DC/DC电源的外观电路。芯片的集成电路如图2所示。

1.2  无线传感器网络

将几个ZigBee协调器连接传感器终端，不断调整协调器与传感器的位置，组成一个ZigBee无线传感器网络，网络结构如图3所示。

让一个协调器外接多个路由器设备，形成一个完整的功能设备，利用这个设备建立、管理ZigBee网络，确定网络中的PAN标识符与整个网络的物理通信，储存网络节点信息，保持网络中其他设备间的通信[6]。使用一个定时器监控主程序运行，定时复位定时器，防止PC指针无法复位的问题。使用XBee?PRO S2B实现传感器之间的无线通信。XBee?PRO S2B性能参数如表1所示。

使用XBee?PRO S2B上的UART串行接口，连接逻辑电平兼容的串行设备，转换电平设备，并连接其他串行设备，UART串行接口连接XBee?PRO S2B的DI和DO引脚[7]。使用3G无线发送模塊，利用内含的GPS技术获取实验室的经纬度坐标信息，STM32处理器接收部分信息，并将采集到的相关数据发送至远程监控中心，使用SD卡储存接收到的数据[8]。连接采集终端与汇聚终端两部分的硬件，完成预警系统硬件部分的设计。

2  预警系统软件设计

2.1  计算实验室环境风险系数

软件部分设计一款实验室环境数据监控软件，实现服务器数据实时远程共享[9]。多点监控同一局域网实验室内的风险因素数据变化，设传感器网络采集到的实验室环境数据集合为[W=W1，W2，…，Wn]。

定义此时实验室环境状态量为[S]，时间为[t]，无线采集器网络采集开始到结束共有[i]个时间段，计算[i]个时间段内实验室环境的状态量[S]的风险稳定系数[fi]，得到：

[fi=i=1nai（St-Si）] （1）

式中：[ai]是相关性系数;[Si]是[i]时间段的状态量;[St]为[t]时刻的状态量[10]。假设[j]时刻传感器网络采集到的实验室环境数据为[yj]，计算[j+1]时刻实验室环境的变化量为：

[yj+1=yj+t=1j+1utSt] （2）

式中[ut]为[t]时刻实验室风险状态的参数值。

2.2  设计预警数据传输结构

预警数据传输结构使用两层C/S架构，接入到数据监控中心，此时数据监控中心具备两种工作模式[11]：一种可以让数据监控中心作为客户端连接ZigBee?WiFi网关，数据监控中心与网关相互通信，采集实验室风险数据并储存[12];另一种模式以数据监控中心为服务器，让区域网中的其他客户端使用IP地址和端口号连接数据监控中心，监控中心接收实时数据并转发至客户端口中[13]。数据传输C/S网络架构如图4所示。

程序根据无线传感器网络采集到的实验室环境数据，分析风险系数[14]。使用图4中的架构传输风险数据，客户端根据接收到的风险数据，提示实验室风险预警[15]。综合软硬件的设计，基于无线传感器网络的大学实验室风险预警系统设计完成。

3  智能教学系统的性能测试

3.1  准备阶段

实验开始前调试ZigBee组网，准备一个协调器和两个终端设备，将传感器搭载采集终端的串口，读取实验室风险数据，然后发送到协调器的汇聚终端，将采集终端发送实验室风险数据的时间间隔设置为15 min。汇聚终端将接收到的数据传输到监控中心PC机串口，PC机通过串口调试助手查看接收到的风险数据，风险数据以指定帧格式表现实验室环境数据。定义发送环境数据帧格式为：[DATA终端设备ID号传感器数据]，使用调试助手的调试页面如图5所示。

图5中，[DATA0138]为传感器采集到的风险数据，DATA为风险数据帧头，01是传感器网络中的传感器号码，38是传感器网络传输的数据，每个数据使用“|”相隔。调试完毕后，使用传统实验室风险预警系统与基于无线传感器网络的大学生实验室风险预警系统进行对比，使用一个面积为100 m2的实验室，检测系统可预警的实验室范围。

3.2  测试结果

将实验室面积切分为多个大小相同的网格，两种系统可监控的实验室面积结果如图6和图7所示。由图6，图7可知，使用面积为100 m2的实验室，传统风险预警系统的预警范围小，而基于传感器网络的大学生实验室风险预警系统的预警范围大，改善了传统风险预测系统预警范围小的问题，可严格监测实验室潜在危险。

4  结  语

大学实验室是高等学校进行教学与研究的重要场所，随着高校科研力量不断增强，实验室使用频繁，人员流动性大，实验室存在很大的安全隐患。本文设计了一种基于无线传感器网络的大学生实验室风险预警系统，使用传感器网络实时传输实验室风险数据，灵敏监测实验室内部环境数据变化，改善了传统风险预警系统监测实验室面积过小的问题，在一定程度上减少了实验室安全事故的发生。

参考文献

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