基于ZigBee无线传感网络的高校实验室智能化安全管理方案设计

◆樊峰鑫 周兵

基于ZigBee无线传感网络的高校实验室智能化安全管理方案设计

◆樊峰鑫 周兵

（海军士官学校指挥信息系统教研室 安徽 233000）

高校实验室是开展教学和科研工作的重要场所，实验室安全是教学科研工作得以顺利开展的重要保障，据了解，目前各高校实验室普遍缺少有效的智能化的安全管理措施，在此背景下，本文提出一种实验室智能化的安全管理方案，该方案以各类传感设备为基础，通过ZigBee技术组成无线传感网络实验室环境的全覆盖。在覆盖空间内可以及时监测到各种安全隐患并进行预警，从而减少因安全事故造成的损失，保障实验室的正常使用，提高高校办学质量和水平。

实验室安全管理；智能化；ZigBee；传感器

实验室是高校开展教学活动、科学研究、人才培养的主要场所，是衡量学校办学实力的重要指标。近年来随着国家对高等教育投入的不断加大，高校实验室无论从规模上还是质量上都有了大幅提高，然而在实验室建设迅速发展的同时，各种实验室安全事故也频频发生，例如，2018年12月，北京交通大学一实验室发生爆炸，造成3名学生死亡；2016年1月，北京化工大学一实验室发生火灾，造成极大经济损失。据有关数据统计，理工科院校验室中由爆炸、灼伤、火灾等引起的安全事故占事故总比40%以上[1]，频发的安全事故受到国家和社会的广泛关注，实验室安全管理工作正面临更高的要求和挑战，因其不仅关系到实验室教学科研等工作是否能够顺利进行，更是广大师生身体健康和生命安全的重要保障[2]。

本文设计的智能实验室安全管理系统以实验室环境为监测重点，可以及时发现各种安全隐患，该系统功能主要通过ZigBee技术组建的传感网络进行实现，通过该系统可有效降低管理人员的工作强度，降低实验室安全事故的发生概率。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4 标准的无线连接协议，是一种低成本、低功耗、低复杂度、低速率的无线通信技术，它具有以下特点：

（1）低功耗。ZigBee技术的功耗与其他无线通信技术相比是比较低的，其在工作过程中可以通过定时休眠等功能降低功耗，往往一颗纽扣电池就能够使用达两年之久，而且ZigBee实际的数据传输速率比较低，对信号的反应速率很快，可实现能耗小的优势。

（2）成本低。ZigBee模块体积小，ZigBee协议也已经免费开放，并且使用的频段是全球免费频段，这三方面使得ZigBee整体成本较低[3]。低廉的价格是ZigBee技术被广泛使用的重要原因之一。

（3）时延短。ZigBee技术能够满足对时延要求较高的无线控制类应用，通信时延和激活时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms[4]。

（4）可靠性高。ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方式进行信道接入。通过握手协议实现可靠传递。

（5）安全性和稳定性好。ZigBee具有数据完整性检查功能，在数据传输中使用访问控制清单、AES对称密码等安全模式，确保了数据传输的安全性与稳定性[5]。

除此之外，ZigBee还具有十分强大的组网能力，支持多种连接方式，如星型、树型和网状型网络结构，用户可根据实际应用进行选择。正是因为这些特点，ZigBee技术作为一种无线通信协议，在物联网技术中被广泛使用。

2 实验室智能化安全管理整体架构

本方案以实验室环境为重点监测对象，利用ZigBee技术组建传感器网络，以物联网方式实现对实验室环境的监测，从功能设计的角度出发，系统主要划分为三个层次，如图1所示。

第一层为感知层。感知层是整个安全管理系统的最底层，由大量的传感器组成，主要对实验室环境中的温湿度、光照、气体、烟雾等数据进行采集，传感器间通过ZigBee技术组网形成无线传感网络。

第二层为网络层。网络层处于中间层，负责将整个环境中的网络设备进行串联，并将感知层采集到的信息转发给服务器进行处理，同时对从上层接受到的指令进行处理和转发。

第三层为应用层。应用层位于顶层，是直接与用户进行交互的层，负责将服务器处理过的数据提供给管理人员，一般通过Android应用和Web应用两种方式来提供数据。Android应用主要以APP的形式安装在手机、平板等工具上作为管理系统的终端。Web应用主要通过网页来查看系统采集相关数据。

图1 实验室安全管理系统整体架构

3 实验室智能化安全管理组成部分

3.1 硬件部分

硬件部分主要由ZigBee模块、传感器模块、蜂鸣器等部分组成。

（1）ZigBee模块

ZigBee是一个由无数个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每一个ZigBee网络数传模块在整个网络范围内可以互相通信，节点通信距离较远，组网性能稳定可靠。

（2）传感器模块

传感器处于感知层，负责实验室环境基础数据的收集，包括温湿度传感器、有毒气体传感器、火焰传探测传感器等。

① 温湿度传感器。一些精密的实验仪器和化学药品对温湿度的要求非常高，尤其是一些易燃易爆的化学品，不当的温度可能会导致爆炸、着火等安全事故，温湿度传感器可以实时对实验室的温湿度进行监测，并将采集到的数据通过ZigBee网络传送到应用端，通过管理平台进行显示。

② 有毒气体传感器。对实验室环境中有害气体监测是为实验人员提供安全环境的重要部分之一，同时也是实验室安全监测数据的一个重要保障。环境中的一氧化碳、PM2.5等气体无色无味但是会对人体产生伤害，有毒气体传感器可以检测到实验室有毒气体的浓度，当超过阈值时，传感器会发出一个电平信号，将电平信号接到报警电路，即可实现报警功能。

③ 烟雾传感器。烟雾传感器能对环境中的烟雾进行就地监测，对火灾初期各类燃烧物质阴燃阶段产生的不可见及可见烟雾进行监测，当烟雾浓度大于设定浓度时通过报警电路实现报警功能，从而达到预防火灾的目的。

3.2 软件部分

软件部分主要由ZigBee终端节点软件设计、ZigBee协调器软件设计、管理平台软件设计。

（1）终端节点软件设计

终端节点主要有ZigBee终端节点和传感器节点。ZigBee终端节点主要作用是申请加入ZigBee网络后与ZigBee协调器进行通信。温湿度传感器、有毒气体传感器、烟雾传感器等终端节点负责将采集到的信息通过ZigBee协调器处理并最终显示在控制终端。

（2）ZigBee协调器软件设计[6]

ZigBee协调器是无线传感网络中的核心节点，主要功能是负责组建、维护和管理ZigBee网络。主要完成以下工作：

将分布在实验室的传感器节点组建成ZigBee网络；

监测ZigBee无线信号，将有效的终端节点加入网络并分配网络地址，实现节点间通信；

接收网络中终端节点发送过来的数据并将其传送到实验室显示控制终端；

接收显示控制终端发送过来的控制信息并将其发送到指定的ZigBee终端控制节点。

（3）系统监控平台软件设计

平台架构应该包括设备端、平台端和应用端三个部分。设备端包含各种采集数据的终端设备，终端设备通过有线通信方式或ZigBee、蓝牙等无线通信网络完成与平台端的接入；平台端为终端提供丰富的功能，主要包括数据存储与分析、终端管理；平台端通过提供能力网关和消息推送完成与应用端的连接。

系统监控平台具体功能如下：

① 终端接入。提供各种短距离通信应用设备的接入，包括WiFi、ZigBee等无线通信技术。

② 终端管理。设备管理方面支持设备注册、升级、维护、监控等多种管理功能。用户可通过平台管理获取所需的各种数据。

③ 能力网关。提供丰富的API，方便用户使用；提供终端管理、规则引擎、数据存储等模块能力以及第三方平台能力。

4 结语

本文针对现阶段实验室安全管理智能化程度低、安全事故频频发生的现状，设计了一种基于ZigBee技术的实验室智能化安全管理方案，ZigBee组成的无线通信网络将传感器监测到的数据进行接收汇总并分析处理，通过安全预警达到降低事故率的目的。基于无线传感网络的实验室管理系统可扩展性较好，可拓展到多间实验室甚至整栋实验楼，既保障了实验室运维的稳定、安全，又将实验室工作人员从繁忙低效的实验室日常管理中解放出来，有效地提高了工作效率。

[1]孙淑强，张乐，周磊. 智能检测技术在高校实验室安全管理中应用[J]. 实验室研究与探索，2019，38（1）：272-275

[2]张皓瑜，王梅.ZigBee技术在计算机实验中心智能管理中的应用[J]. 河南科技，2020，16（6）：28-29.

[3]Jeetu S，Partha P B，Manish K J. Performance Analusis of Zigbee in Beacon Enabled and Beacon-less Network for Smart Grid Environments[J]. International Journal of Smart Grid Environments[J].International Journal of Sensors，WirelessCommunications and Control，2017，7（1）.

[4]聂灵风. 基于ZigBee技术的温室智能监控系统[D]. 陕西科技大学，2018.

[5]James Gray，Thomas M. Banhazi，Alexander A. Kist. Wireless data managementsystem for environmental monitoring in livestock buildings[J]. InformationProcessing in Agriculture，2016.

[6]杨柏松，刘飞，陈金鹏，等. 基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统[J]. 自动化与信息工程，2017，38（1）：23-28.