基于ZigBee的實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

曹海洋　靳晟　乃比·巴瑞　艾力卡爾·艾尼瓦爾

摘要：為了實時獲取實驗室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并且能夠遠程實時監(jiān)測預(yù)警，科學(xué)高效地對實驗室內(nèi)進行管理，該文設(shè)計了一套以ZigBee為核心開發(fā)板的遠程數(shù)據(jù)采集與控制的實驗室智能安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對實驗室內(nèi)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行信息智能化整合，通過HTTP協(xié)議將整合的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送OneNET云平臺上，通過云平臺中遠程監(jiān)控實驗室內(nèi)環(huán)境。該系統(tǒng)將實驗室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)科學(xué)化、信息化，有效地減少了人工手動到現(xiàn)場對實驗室安全進行檢測的時間，也減少了實驗室可能發(fā)生的意外情況，實現(xiàn)了實驗室遠程監(jiān)測的科學(xué)化、信息化管理。

關(guān)鍵詞：云平臺；ZigBee；實驗室安全；嵌入式開發(fā)

中文分類號：TP311.1? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0101-03

1 引言

實驗室是科研和教育的一個關(guān)鍵部分，是教學(xué)、培養(yǎng)的一個主要場所。對智能化監(jiān)測提出了更高的需求。同時，作為智能化監(jiān)測的一種，實驗室的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)也將發(fā)揮更大的功能。

由于區(qū)域間的發(fā)展水平和使用者對綜合監(jiān)測的要求各不相同，因此建立了一種既完備又靈活的綜合實驗室監(jiān)測體系，尤其是采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其運行更加方便；在此基礎(chǔ)上，進一步完善了實驗室的一體化監(jiān)測體系。

采用多種傳感器，對室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、水位等進行實時監(jiān)測；通過電力等參數(shù)的采集，并將所獲得的各種參數(shù)及所獲得的資料進行數(shù)字轉(zhuǎn)化、整理，并通過傳送網(wǎng)將其實時上傳至OneNET平臺；根據(jù)實驗室的技術(shù)指標，進行了實時監(jiān)控和報警，達到了科學(xué)化、信息化的目的，降低成本和人員損耗。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計闡述

本文圍繞實驗室內(nèi)環(huán)境進行深入探究，按照實用、可靠、有效的原則，使用近幾年新出的無線通信技術(shù)——ZigBee 技術(shù)[1]，如圖1可見，該系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端和PC主機組成，實現(xiàn)了實驗室的遠程監(jiān)控。ZigBee終端通過使用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、水位傳感器等傳感器對實驗室內(nèi)環(huán)境的空氣溫濕度、CO2濃度、水位情況等數(shù)據(jù)進行實時獲取，將獲取的數(shù)據(jù)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，之后通過ESP8266模塊連接OneNET云平臺，并將數(shù)據(jù)顯示在OneNET云平臺中的數(shù)據(jù)可視化大屏中，對火焰、水患、電力等突發(fā)情況監(jiān)測并報警，實現(xiàn)監(jiān)控管理信息化，通過對各類傳感器情況的監(jiān)測，保障實驗室內(nèi)無突發(fā)意外情況，在OneNET云平臺中對實驗室實行遠程監(jiān)測。通過科學(xué)化的管理，實現(xiàn)智能化的實驗室監(jiān)管，有效控制成本，減輕人力資源，有效地減少了突發(fā)情況所帶來的損失。

2.1 移動網(wǎng)絡(luò)通信

實驗室內(nèi)部的各類傳感器實時采集室內(nèi)的溫濕度、水位、CO2濃度、電流等參數(shù)通過ESP8266發(fā)送至各ZigBee節(jié)點所建立的WebServer中，ZigBee啟用無線終端模式連接WIFI?？蛻舳薢igBee通過HTTP請求依次訪問各節(jié)點的WebServer，并將各節(jié)點傳感器參數(shù)整合通過HTTP協(xié)議接入中國移動OneNET平臺，將采集到的傳感器參數(shù)發(fā)送至OneNET平臺，將各參數(shù)通過OneNET數(shù)據(jù)可視化view3.0展示在智慧大屏中，如圖2所示。通過對數(shù)據(jù)的分析在智慧大屏中下發(fā)命令實現(xiàn)對實驗室內(nèi)安全提供預(yù)警作用（如：水位過高報警；CO2濃度過高報警;溫度過高報警）。

2.2 局域網(wǎng)通信

各節(jié)點ZigBee建立WebServer，使用HTML語言設(shè)計網(wǎng)頁，局域網(wǎng)內(nèi)用戶可通過瀏覽器訪問ZigBee所建立的WebServer實時獲取各類傳感器數(shù)據(jù)，在所建立的WebServer中獲取實驗室內(nèi)各傳感器所獲得的參數(shù)，如圖3所示。

3 硬件詳情與功能應(yīng)用

基于ZigBee的實驗室智能安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)實時采集實驗室內(nèi)部的環(huán)境，并對異常情況發(fā)出警報，避免危險狀況發(fā)生。本系統(tǒng)通過溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫濕度情況，與煙霧傳感器所采集的煙霧情況配合，判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)等情況則會發(fā)出警報，提醒工作人員前往查看。通過水位傳感器監(jiān)測室內(nèi)有無漏水情況，避免出現(xiàn)漏電損壞線路等情況。本系統(tǒng)通過ESP8266模塊，在OneNET平臺上展示所采集的數(shù)據(jù)，工作人員通過上傳的數(shù)據(jù)來監(jiān)測實驗室內(nèi)的各種情況，并根據(jù)所獲得的實驗室內(nèi)各項數(shù)據(jù)，對實驗室進行管理。

3.1 ZigBee

在 IEEE802.15.4中，ZigBee采用了Mac層和PHY層。本協(xié)定所述技術(shù)是低功耗和低成本的雙向無線通訊技術(shù)。該產(chǎn)品適用于自動化及遙控等行業(yè)，能夠在多種應(yīng)用場合中實現(xiàn) GPS定位。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，使用到了ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee終端用來傳數(shù)據(jù)，將實驗室內(nèi)的溫濕度、CO2濃度、水位、電流等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)返回給ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)整體的核心，ZigBee終端所采集到的數(shù)據(jù)將會返回給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器啟動并連接網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)可以與協(xié)調(diào)器之間進行通訊，兩個終端節(jié)點不能直接進行聯(lián)系。如果兩個終端節(jié)點需要進行通訊聯(lián)系，需要借助協(xié)調(diào)器節(jié)點進行聯(lián)系，這樣兩個終端節(jié)點之間才可以進行相關(guān)信息的獲取和轉(zhuǎn)發(fā)操作[2]。

使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)勢，例如低成本、低功耗、短時間延遲等，在實驗室這個環(huán)境下，只需幾個ZigBee終端設(shè)備就能采集大部分數(shù)據(jù)，成本較低，且只需要兩個5號電池就能工作6到24個月，甚至更長時間。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，使用了四個ZigBee終端來進行各項數(shù)據(jù)的模擬量采集，之后將采集的溫濕度、CO2濃度、水位等數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，并通過ESP8266模塊連接并發(fā)送至OneNET云平臺，將實時得到的數(shù)據(jù)展示在可視化界面中，便于工作人員對實驗室內(nèi)情況得到更好的了解，提高了實驗室的安全性，也提高了對實驗室的監(jiān)管能力。

3.2 水位傳感器

水位傳感器是一種能感受水溫水位的傳感器，并且將感受到的水溫水位轉(zhuǎn)變成變化的電信號。將水位傳感器放置于實驗室內(nèi)暖氣附近，用于檢測暖氣是否有漏水的情況，并將獲得到的水位信號發(fā)送到PC端，PC端將測得的水位信號與固定值地平面做出比較，如果水位超出地平面，就判定為實驗室有漏水情況，則會發(fā)出警報，讓工作人員檢查實驗室內(nèi)情況，保證實驗室不會因為漏水而引發(fā)漏電的情況。

3.3 溫濕度傳感器

本次使用了DHT11溫濕度傳感器，它的精度較其他溫濕度傳感器來說，算是比較出色的一類。通過溫濕度傳感器與ZigBee終端連接，進行對實驗室溫濕度的采集，之后在OneNET數(shù)據(jù)可視化界面展示，方便工作人員進行檢查，減少意外的發(fā)生。

3.4 煙霧傳感器

煙霧傳感器通過監(jiān)測煙霧濃度，判斷火災(zāi)發(fā)生的情況。內(nèi)部采用了光電感煙器件，在實驗室、倉庫、家中等進行火災(zāi)安全檢測。煙霧傳感器內(nèi)置蜂鳴器，檢測發(fā)生火災(zāi)時可以發(fā)出報警聲響。在實驗室中，如發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)產(chǎn)生的煙霧被煙霧傳感器檢測，傳感器發(fā)出響聲，讓工作人員能夠反應(yīng)過來并前去查看情況，預(yù)防更大的損失產(chǎn)生。

3.5 ESP8266

ESP8266是樂鑫公司為物聯(lián)網(wǎng)專門開發(fā)的低成本、低功耗WiFi芯片。它具有無線上網(wǎng)功能和強大的處理能力。

ESP8266作為主要的MCU，不需要與其他單片機一起使用。它可以使用ESP8266的GPIO端口功能來收集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號。接收端的ESP8266使用無線互聯(lián)網(wǎng)功能與OneNET平臺建立網(wǎng)絡(luò)連接，并將數(shù)據(jù)上傳至OneNET[3]。

本系統(tǒng)通過ESP8266模塊將ZigBee上各傳感器所獲得的數(shù)據(jù)，上傳至OneNET平臺，將各參數(shù)通過OneNET數(shù)據(jù)可視化view3.0展示在智慧大屏中。

3.6 信號放大電路

為了檢測電路中是否有電流通過設(shè)立了兩個方案。

電流互感器：電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次側(cè)繞組匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的線路中。通過將線路中的火線穿過電流互感器來檢測電流，通過使用DCDC變換器，將電流互感器所能承受的電流固定在5A，之后通過電流互感器檢測線路中是否有電流通過，但是因為實驗室的電路一般都安放在墻體里，而且穿線也有一定的用電危險，所以換了另一種方法。

信號放大電路：在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。構(gòu)造了一個簡單的放大電路來放大可能出現(xiàn)的微弱電流來判斷線路中是否有電流經(jīng)過。通過兩個線圈[4]與電場附近的磁場相互作用，產(chǎn)生了一個微弱的電流，通過串聯(lián)幾個三極管來將微弱的電信號放大來檢測是否有電流通過。

4 ZigBee+PC接入OneNET平臺詳細

圖4為ZigBee+PC接入OneNET平臺。

4.1 創(chuàng)建產(chǎn)品，添加設(shè)備

將ZigBee+PC接入OneNET平臺，理論如圖4所示，首先進入OneNET平臺多協(xié)議接入，添加產(chǎn)品并完善信息，選擇接入方式為HTTP協(xié)議接入，然后再為產(chǎn)品添加設(shè)備，完善產(chǎn)品信息，記住產(chǎn)品ID、設(shè)備ID。

4.2 開發(fā)環(huán)境搭建

1） 下載IAR IDE：https：//www.iar.com/iar-embedded-workbench/。

2） 選擇IAR IDE語言。

3） 安裝驅(qū)動。

4） 激活軟件。

4.3 連接WIFI

使用WiFi.begin（ssid， password）函數(shù)，ssid設(shè)置為WIFI名稱，password設(shè)置為WIFI密碼。

4.4 連接OneNET云平臺

client.setServer（mqtt_server， 6002），使用6002端口設(shè)置客戶端連接的服務(wù)器，連接OneNET的服務(wù)器。

client.connect（mqtt_devid， mqtt_pubid， mqtt_password），客戶端連接到指定的設(shè)備和指定的產(chǎn)品，同時輸入鑒權(quán)信息。mqtt_devid設(shè)置為ONENET中的設(shè)備ID，mqtt_pubid設(shè)置為產(chǎn)品ID，mqtt_password設(shè)置為產(chǎn)品的鑒權(quán)信息[5]。連接成功后，可以登錄OneNET查看產(chǎn)品是否在線。

5 結(jié)束語

為了對實驗室進行更有效、更方便、更安全的監(jiān)測，設(shè)計了基于ZigBee的實驗室智能安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展中，對于實驗室的安全更加重視，本系統(tǒng)采取了價格更低，安全性更好的一套方法，可以實現(xiàn)對實驗室實時監(jiān)測并預(yù)警的功能，省時省力。經(jīng)過調(diào)查，大多數(shù)實驗室所受到的災(zāi)害無非火災(zāi)、水災(zāi)、漏電等情況最為嚴重，通過此系統(tǒng)的實現(xiàn)，可以實時觀察實驗室內(nèi)情況，減少意外情況的發(fā)生，并且在發(fā)生意外情況時發(fā)出預(yù)警以減少更多不必要的損失。結(jié)合日益發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了在移動網(wǎng)絡(luò)中通信和局域網(wǎng)中通信，對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時獲取。此外，本系統(tǒng)的價格低廉，穩(wěn)定性也有所提高的同時，功耗也更低了，有很大的發(fā)展前景。

參考文獻：

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[3] 張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺的遠程報警系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（12）：64-67.

[4] 馬興忠，蹇桂花.磁生電演示實驗的改進[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2020（6）：131.

[5] 李小珊.一種基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國電梯，2021，32（19）：13-15.

【通聯(lián)編輯：梁書】