(上海工程技術(shù)大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

2008年11月14日上海商學院、2011年11月03日清華大學的宿舍失火以及2015年8月12日天津倉庫爆炸等事件造成了嚴重的生命傷害和的財產(chǎn)損失。為提高安全管理水平,有效監(jiān)測環(huán)境安全，避免火災(zāi)發(fā)生，本文研發(fā)一款基于ZigBee的環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對人群、物品比較集中，容易引發(fā)危險的宿舍以及倉庫等類似的空間進行溫度、濕度、可燃性氣體濃度、用電功率等一系列監(jiān)測。

該系統(tǒng)采用多種傳感器模塊來采集監(jiān)測地點的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用單片機控制器將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理與整合，并通過ZigBee傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機的“智能監(jiān)控”客戶端基于Visual Basic 6.0 編寫,其采用的數(shù)據(jù)庫技術(shù)能直觀、方便地對環(huán)境數(shù)據(jù)進行管理與分析。

該系統(tǒng)經(jīng)實驗可以對預(yù)期的監(jiān)測地點的溫度、濕度、可燃性氣體濃度和用電功率等參數(shù)進行監(jiān)測，若環(huán)境處在危險情況下，該系統(tǒng)可報警通知管理人員且具有自動排除危險的功能。

1 系統(tǒng)工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由三大部分組成：下位機系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)和通信轉(zhuǎn)接板，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。下位機系統(tǒng)主要負責檢測環(huán)境數(shù)據(jù)和OLED液晶顯示，并通過ZigBee無線傳輸技術(shù)經(jīng)由通信轉(zhuǎn)接板與上位機通信。上位機系統(tǒng)主要負責接收下位機系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析以及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程顯示和圖表展示。該系統(tǒng)對監(jiān)測地點分有人管理和無人管理兩種情況進行不同的報警模式。在有人管理的模式下僅觸發(fā)語音報警，不觸發(fā)宿管處的蜂鳴器報警；而在無人管理的情況下語音和蜂鳴器兩種報警模式同時觸發(fā)，并且會以短信形式通知管理人員。系統(tǒng)在必要時還可以實現(xiàn)對危險因素的自動排除功能，例如自動切斷回路的總電源。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 硬件主控制器

在下位機主控芯片的選型上，本系統(tǒng)采用了STC(宏晶科技)公司的1T增強系列8051單片機STC12LE5A60S2作為主控芯片，速度較傳統(tǒng)8051快8～12倍，但完全兼容8051傳統(tǒng)單片機的匯編指令代碼;采用了新型的哈佛結(jié)構(gòu)，將輸入的程序和存儲的數(shù)據(jù)分開來增加數(shù)據(jù)的吞吐和運行的效率，使得數(shù)據(jù)吞吐率較以前增加了一倍左右。STC12LE5A60S2還具有足夠大的片上內(nèi)存，包括FLASHROM(60 KB)、RAM(1280 B)[1]，足夠容納供OLED顯示用的常用字庫以及圖片取模字庫;還擁有充足的I/O口引腳,能夠?qū)Ω鞣N環(huán)境監(jiān)測傳感器進行擴展連接。

在自主設(shè)計硬件PCB板時為其預(yù)留了較多的I/O接口，不僅很大程度上展現(xiàn)出了STC12LE5A60S2的多I/O口綜合控制能力，同時還為使用者進行二次研發(fā)提供了很大的拓展空間。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，其是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，主要基于IEEE 802.15.4標準，支持最高3300 B/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，使用2.4 GHz的頻段進行通信，可以快速組建局域網(wǎng)絡(luò)。

該系統(tǒng)使用了“深聯(lián)創(chuàng)新”所研發(fā)的無線ZigBee模塊DL-20，其無需學習復(fù)雜的Zigbee協(xié)議棧[2]，也無需ZigBee協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，終端節(jié)點就可以完成組網(wǎng)和轉(zhuǎn)發(fā)。其采用CC2530作為系統(tǒng)芯片，集成了工業(yè)級的增強型8051控制器，在提高性能的基礎(chǔ)上，也滿足了以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段[3]。該模塊功率約為100 mW，PCB板內(nèi)置天線，有效傳輸距離在無干擾情況下可達約200 m。

1.3 傳感器模塊

環(huán)境數(shù)據(jù)的采樣和存儲在環(huán)境監(jiān)測過程中是非常重要的部分。該系統(tǒng)可對可燃性氣體、溫度、濕度、用電功率和有/無人狀態(tài)進行實時采集。DHT22溫濕度傳感器負責溫度和濕度的檢測、HC-SR501紅外傳感器負責對有/無人狀態(tài)的檢測，二者通過單片機普通I/O口傳遞環(huán)境參數(shù)。MQ-2煙霧傳感器負責可燃性氣體濃度的檢測，HBC05PS3.3霍爾傳感器負責用電功率的檢測，二者通過單片機A/D轉(zhuǎn)換口傳遞環(huán)境參數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)定單片機定時器每10 s進入1次中斷，并發(fā)出輪詢事件，周期性地更新各個傳感器所采集的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，由此完成整個環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)。

1.4 報警子系統(tǒng)

報警子系統(tǒng)能播報環(huán)境異常語音廣播。語音播報電路采用語音解碼芯片QJ004-16S，其集成了MP3、WMV的硬解碼能力，其原理圖如圖2所示。

圖2 解碼芯片與TF卡相連原理圖

該語音解碼芯片與TF卡直接相連接，并通過SPI串口協(xié)議傳輸，獲取到預(yù)置在SD卡中的語音報警音頻文件，解碼后的數(shù)據(jù)流會通過LM4890音頻功放芯片進行功率放大，通過外接揚聲器播放輸出[4]，電路原理圖如圖3所示。

圖3 功放芯片外圍電路原理圖

其中DACL和DACR分別為經(jīng)過QJ004-16S音頻解碼后的左聲道數(shù)據(jù)流和右聲道數(shù)據(jù)流，引腳8輸出的ROUT與引腳5輸出的LOUT即可外接揚聲器。報警時硬件實物圖如圖4所示。

圖4 下位機硬件報警實物圖

該報警子系統(tǒng)能夠智能識別導(dǎo)致當前環(huán)境異常的原因，自選擇儲存在SD卡中相應(yīng)的音頻文件進行播放，提升系統(tǒng)的智能性。相關(guān)代碼如下。

//將各報警標志位移位后或運算，賦給一個報警變量

tempmode=(u8)((Temp_Mode<<3)|(Humi_Mode<<2)|

(Gas_Mode<<1)|Pow_Mode);

switch(tempmode){

case 0x08:

//語音播報子程序，播放溫度異常語音

Music_Pointplay(Temp_Alarm); break;

case 0x04:

//語音播報子程序，播放溫度異常語音

關(guān)羽的忠義一直以來被人們傳誦。他去世以后，老百姓就在各地建廟供奉，稱他為“商界保護神”“醫(yī)藥神”“戰(zhàn)神”。歷代朝廷也都對他進行褒封，如“關(guān)圣帝君”“武圣”等，與“文圣”的孔子齊名。千年以來，關(guān)帝廟香火不斷，表現(xiàn)了人們對關(guān)羽的敬仰和崇拜之情。

Music_Pointplay(Humi_Alarm); break;

case 0x02:

//檢測到可燃性氣體超過20秒自動斷電

if(Gas_Offpow_Delay==2){

Music_Pointplay(Gas_Offpower_Alarm);

Power_Off();//切斷回路電源子程序

Gas_Offpow_Delay=0;//時間標志位清零

}else Music_Pointplay(Gas_Alarm);

break;

case 0x01:

//檢測到功率異常超過60秒自動斷電

if(Cur_Offpow_Delay==6){

Music_Pointplay(Cur_Offpower_Alarm);

Power_Off();//切斷回路電源子程序

Cur_Offpow_Delay=0;//時間標志位清零

}else Music_Pointplay(Power_Alarm); break;

default://若存在多個環(huán)境異常

Mul_Mode();//多異常處理子程序

//播報多異常語音

Music_Pointplay(Mul_Alarm);

}

2 軟件部分設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分由下位機STC單片機程序、上位機VB6.0客戶端程序和數(shù)據(jù)庫存儲3部分組成。

2.1 下位機STC單片機程序

該系統(tǒng)使用Keil C軟件對STC單片機進行開發(fā)。Keil C51是一款軟件開發(fā)系統(tǒng)，其為51系列并兼容單片機C語言，由美國Keil Software公司出品[5]。

程序設(shè)計思路如下：當系統(tǒng)上電后，首先檢查硬件系統(tǒng)的完整性和對相關(guān)事件進行初始化，當與上位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功后，開始采集并展示環(huán)境數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)有條不紊地運行。若監(jiān)測過程中遇到環(huán)境危險的情況，則調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)并進行報警。過程中時刻保持與樓層ZigBee管理器的通信暢通。

位于各個寢室的ZigBee終端將采集到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送至每層的樓層ZigBee管理器，樓層ZigBee管理器按樓層由高向低匯總至1樓ZigBee管理器，1樓ZigBee管理器負責將所有寢室的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸給上位機。ZigBee數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

注：校驗位根據(jù)程序算法得出

2.2 上位機VB6.0客戶端程序

本系統(tǒng)上位機客戶端基于Visual Basic 6.0 平臺建立，其主要用于將各項環(huán)境數(shù)據(jù)通過圖形化界面展示，方便宿管及時了解各個寢室的環(huán)境問題。其工作流程圖如圖5所示。

圖5 “智能監(jiān)控”工作流程圖

上位機監(jiān)控軟件通過MSComm串口控件的comEvReceive事件接收到轉(zhuǎn)接板發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)后根據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行校驗和提取[6]，若校驗通過則將各項環(huán)境數(shù)據(jù)展示在客戶端界面上并存入數(shù)據(jù)庫。若檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)異常，則會彈出如圖6所示的報警提示框并驅(qū)動USB轉(zhuǎn)接板上的蜂鳴器來提醒宿管。

圖6 客戶端報警界面

2.3 MySQL數(shù)據(jù)庫存儲

MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)的引用方便了對環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲和讀取。上位機VB客戶端通過引用Microsoft Activex Data Objects 2.0 Library具備連接到MySQL數(shù)據(jù)庫并對數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)進行讀取和寫入的能力。數(shù)據(jù)庫共有6個字段，分別是時間(TIME)、寢室號(DORM)、溫度(TEMPERATURE)、濕度(HUMID)、是否有人狀態(tài)(PEOPLE)以及異常標志位(STATUS)。當每次上位機客戶端獲取到環(huán)境數(shù)據(jù)并解碼完成后，無論數(shù)據(jù)是否在安全閾值內(nèi)，都會在第一時間將當前的環(huán)境數(shù)據(jù)以ADODB.Recordset.AddNew語句存入MySQL數(shù)據(jù)庫[7]。具體數(shù)據(jù)儲存如圖7所示。

圖7 環(huán)境歷史數(shù)據(jù)

3 基于ZigBee的校園宿舍環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

上述環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)在上海松江大學城某宿舍區(qū)以及上海松江大學城某校實訓(xùn)樓兩個地點分別進行了實驗，分別于2017年9月23日和2017年9月29日對上述兩個區(qū)域做了環(huán)境監(jiān)測的測試工作。

在測試中，系統(tǒng)能夠準確地對環(huán)境參數(shù)進行采集，并無誤地將收集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。在宿舍樓區(qū)，下位機硬件系統(tǒng)安裝在一樓和二樓各宿舍的天花板上，各樓層的ZigBee終端信號能夠順利穿過水泥墻和門板傳輸?shù)礁鳂菍拥腪igBee管理器，宿管處的上位機ZigBee能順利地接收到各個寢室的環(huán)境數(shù)據(jù)，宿管能夠非常及時地通過電腦上的“智能監(jiān)控”客戶端了解當前寢室的有/無人狀態(tài)和溫濕度等情況，使得管理效率提高；在實訓(xùn)樓的測試中，將下位機硬件平臺安置在一實驗室中，采用了瓦斯模擬了可燃性氣體，該系統(tǒng)能夠在瓦斯?jié)舛容^低的情況下及時報警并主動切斷電源回路，以防用電器電火花引爆可燃性氣體，同時無延時地通知了位于辦公室的實驗室管理員前來處理，防止危害繼續(xù)擴大。

通過上述測試，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地檢測到環(huán)境異常并通過報警功能及時通知相關(guān)人員進行處理，相關(guān)電路設(shè)計和傳感器選型能夠勝任環(huán)境安全監(jiān)測的需求。

4 結(jié)束語

基于ZigBee的校園宿舍環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)是一種先進的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在同類產(chǎn)品中具有高智能性、成本低、低功耗、低誤報警率、報警及時、數(shù)據(jù)準確等特點，其監(jiān)測地點不僅限于宿舍，可以運用在任何對環(huán)境監(jiān)測具有高安全要求的地方，如倉庫等。本監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，用戶幾乎不需要專業(yè)知識即可使用。

環(huán)境監(jiān)測是一項長期工程，該系統(tǒng)只考慮了部分的指標，在后期的改造和再設(shè)計過程中，可考慮加入更多因素，比如大氣壓強、PM2.5監(jiān)測等，為用戶帶來更加全面的環(huán)境監(jiān)測。