刘文艺， 刘立群, 单梦晨， 张 昱

(江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116)

·实验室建设与科学管理·

基于无线传感器网络的实验室智能监控系统设计

刘文艺， 刘立群, 单梦晨， 张 昱

(江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116)

介绍了一种基于ZigBee无线通信技术的实验室智能无线监控系统。该系统由多个ZigBee无线数据采集节点及一个ZigBee协调器组成。ZigBee无线数据采集节点接收温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器、继电器、火焰传感器、光敏传感器等采集的数据，并实现无线发送。ZigBee协调器主要实现对各个节点的数据接收，并通过RS232与监控上位机实现连接，将数据传给上位机实现数据的显示、分析与处理。系统采用Labview作为上位机的开发环境，通过网络布点及监控实验，证明了本系统可以有效地对实验室安全进行智能监控。

实验室监控； 无线传感器网络； 智能监控； 实验室安全

0 引 言

随着实验室在高校教学和科研中发挥着重要的作用，越来越多的研究者开始关注实验室的安全与运行问题[1-2]。现有的实验室安全主要依靠实验人员负责管理，容易造成实验人员负担过重、力不从心。国内外许多研究者开始开发针对实验室安全的监测系统，以期维护实验室安全，保障实验室的安全运行[3-4]。如针对实验室水管网络腐蚀监控系统方案[5]，针对实验室二氧化碳监控系统方案[6]，多波长实验室植被监测系统[7]等。随着网络技术的发展，许多开发的实验室监测系统开始借助于互联网平台，利用GPRS无线通信技术，与Internet建立连接，实现对实验室的智能监控与数据采集[8-11]。也有研究者开发基于手机系统的部分监控平台[12-13]。这些新技术的产生与应用，对促进实验室安全运行，起到了重要作用。但这些基于网络的监控系统，多依靠上位端操作者控制，对于一些一般性故障和急发性故障，不易实现智能化与实时化。

新兴的ZigBee技术在近距离无线传输通信中有着低功耗、高稳定性、低成本等优势，非常适合应用于实验室智能监控系统的设计应用[14-15]。通过ZigBee无线通信技术对实验室进行监控与操作，不仅能较视频监控采集更丰富的数据，并且相对于GPRS更有效率，且维护成本更低。基于ZigBee无线传输技术的监控系统，还可以在上位机实现智能控制，对一些简单的故障，不需请示操作者，即可直接发送指令，维护实验室安全。对于一些紧急情况，也可以按照事先设定的程序运行安全措施，实时性更高。

1 系统整体设计

论文设计了一种基于ZigBee无线通信技术的实验室无线传感器网络智能监控系统。该系统主要由多个ZigBee无线数据采集节点以及一个ZigBee协调器组成。其中，ZigBee无线数据采集节点与温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器、继电器、火焰传感器、光敏传感器等连接，主要实现对数据的采集与无线发送，而ZigBee协调器主要实现对各个节点的数据接收，并通过RS232与计算机实现连接，将数据传给上位机实现数据的显示、分析与储存。该系统的整体结构示意图(见图1)。

图1 系统整体设计图

该监控系统主要由直接连接传感器的ZigBee节点和上位协调器组成。上位机通过对协调器转输的信号进行分析处理，实时性地做出相关控制命令。

1.1 无线技术的选用

ZigBee是一种无线通信标准，这种标准定义了一种低速率无线近距离个人区域网络的通信协议，包括了网络层、应用层以及应用程序支持子层的数据传输规范，并由IEEE 802.15.4定义了物理层和介质访问控制层，从而组成了ZigBee无线网络。

针对不同的应用场合，有多种无线传输网络协议可以选择，除了ZigBee以外主要还有WIFI、蓝牙等，表1列举他们各自的技术特性。

表1 现有无线传输技术及其特点

根据实验室监控的特点，对于多节点布控、低功耗、小体积有着较高的要求，而监控数据传输量较小，并且对于传输速度并无过高要求，相比之下ZigBee技术更加的符合应用需求。

1.2 无线安全监测系统构建

ZigBee网络中的每个节点有3种逻辑设备类型，分别是协调器、路由器和终端节点。这3种设备类型又可以组成不同的网络拓扑，每种网络拓扑中必须有并且仅有一个协调器，最常用的有星型网和树簇状网。其中星型网由一个协调器和多个终端节点组成，树簇状网由一个协调器、多个路由器、多个终端节点组成。图2展示了ZigBee应用时的几种典型拓扑结构。

根据实验室监控需求，论文系统设计采用了星型网络拓扑，由一个协调器连接计算机，多个终端节点连接传感器和继电器组成。在某实验室的几个关键位置布置了相关的ZigBee无线节点，该实验室监控节点分布如图3所示。

如图3所示，A、B、C、D 4处设置了4个ZigBee无线节点，用于获取附属传感器的相关信息。具体的关键节点连接中，节点1连接了一个温湿度传感器、一个火焰传感器、一个光敏传感器；节点2连接了一个温湿度传根器、一个烟雾传感器、一个人体红外线传感器；节点3连接了一个继电器，从而实现了对一个简单串联电路的无线控制。部分节点实物如图4所示。

图3 实验室无线监控系统场景示意图

图4 部分节点实物图

其中，节点3实现了对一个串联电路的无线控制，在本设计中在此串联电路上设置了一个建议制冷装置。其的控制方式有两种：① 人工控制，即直接通过上位机发出指令，闭合继电器，实现装置启动；② 自动控制，即根据节点所反馈的温度信息，经上位机判断，当达到阈值后自动闭合继电器。

1.3 上位机的设计

在本设计中采用了Labview作为上位机的开发环境。Labview是一种图形化的编程语言，又称为“G”语言。Labview用图像化或流程化的语言取代了传统的C、C++、VB等的字符化的编程方式，不仅提高了编程效率和可读性，并且在各种特殊领域中更加易于实现拓展。

Labview程序的编写主要分为前面板和程序框图两个部分。前面板实现了系统界面的显示与操作；程序框图则实现了图形化程序的编写。

上位机的程序框图主要使用了VISA函数，实现了对串口数据读取和发送。基本流程是：首先通过“VISA配置串口”函数对串口进行配置，设置串口号为COM5，波特率为115 200；其次使用“VISA读取”或“VISA写入”函数对数据进行操作；最后使用“VISA关闭”函数结束串口操作。串口写入案例见图5。

上位机的前面板使用了Tab控件，实现了分栏显示。第一栏主要用于串口配置选择、传感器的实时数据显示、继电器电路控制操作以及数据保存；第二栏则显示了节点1与节点2的温湿度数据的波形图。

图5 串口操作程序截图

2 无线网络通信的建立

ZigBee无线传输有3种模式，分别是单播、组播和广播。在本设计中，各个节点的数据发送以单播模式发送，传至协调器；而协调器则以广播发送指令，并且协调器发送的指令是由上位机通过串口透传发送。

2.1 ZigBee协议栈

Z-Stack为ZigBee的协议栈，他是一系列的通信标准，任何两个设备在进行通信时双方都需要按照这一标准进行数据的收发。本设计对Z-Stack进行开发有如下特点：

(1) 用户无需对Z-Stack有十分深入的研究，只需要熟悉其初始化及调用的流程即可，大部分开发可在应用层进行。如在本设计的数据采集部分的操作中，主要内容是在应用层加入对传感器的读取函数，之后在调用发送函数。

(2) 在协议栈中触发函数时，主要有两种类型：中断触发和定时触发。而考虑到节能以及效率，可用定时触发方式使终端节点唤醒，从而自动的对温湿度数据、实验室状况进行采集与分析。

在协议栈中应用任务程序在Zstack中的调用过程：为main()--->osal_init_system()--->osalInitTasks()--->SerialApp_Init()。其中osal_init_system()是初始化操作系统，并且一旦执行便不再返回；osalInitTasks()是任务初始化，在此函数中为系统的各个任务分配储存空间，并为各个任务分配taskID，即每个任务唯一的序列号；SerialApp_Init()为应用初始化，在该函数中对个开发板上的IO进行配置。

2.2 节点任务事件的触发

在应用层使事件触发主要在函SerialApp_ProcessEvent()中进行。在这个函数中，首先会检索是否有系统事件发生，没有就返回NULL。若发生系统事件，则该函数通过case函数进一步细分事件。如，当AF_INCOMING_MSG_CMD被置1，则说明该设备收到了空中传来的信号，于是调用SerialApp_ProcessMSGCmd()函数——消息处理函数，来对收到的信息进行接收分析。在本设计中，编程设定了：发生系统事件时，若设备在网络中的状态发生，首先调用SerialApp_DeviceConnect()函数使终端节点与路由器向协调器建立连接；其次，在终端节点设备上利用定时器触发一个周期函数发送事件，使函数SampleApp_Send_P2P_Message()得以被调用。在SampleApp_Send_P2P_Message()函数中，实现了对温湿度传感器、火焰传感器等的读取，并在整合后将消息发送。

水库流域涉及太谷、榆社、祁县三县地域，农田种植施用化肥、农药，养殖牲畜排放粪便、堆放存储垃圾、污染物，易对水体造成污染。

数据发送函数的定义为：

AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,

uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,

uint8 options, uint8 radius )

其中*dstAddr定义了发送目的地址、端点地址和传送模式，*srcEP定义了对终端的描述，cID指集群号，Len指发送数据长度，*buf指向了发送数据的缓冲区，*transID为任务ID号，Options是有效位掩码的发送选项，Radius为传送跳数。

2.3 指令的串口透传

3 系统监控调试

在本设计中，协调器直接与计算机连接，故用电由计算机端口提供。3个终端节点则由3.3V的电源供电。通电后各设备上的3个LED指示灯亮起表示组网成功，可在监控系统中打开串口，即可查看实时数据，运行界面如图6所示。

图6 监控系统上位机运行界面图

当节点2所采集的温度数据超过设定的阈值35 ℃时，继电器电路自动闭合；或者由系统界面上制冷开关键手动启动。继电器手动闭合的上位机程序框图如图7所示。

图7 继电器电路控制程序

经调试运行，该系统可以较为准确地实现设计功能。对于温度、湿度、火焰等测试触发信号识别准确，触发灵敏，反应迅速，示警良好，可以较好地监测和维护实验室安全运行。

4 结 语

ZigBee无线通信标准作为一种新兴技术，在许多场合中都有着很大潜力。论文设计系统在实验室监控中成功运用，展示了这种技术的高效率与高稳定性，并且基于Labview的上位机设计使得监控系统的智能更加易于实现，在提高可读性、易用性的同时也保证了程序对各类设备的适用性，方便了系统的拓展。

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Design of an Intelligent Laboratory Monitoring Control System Based on Wireless Sensor Network

LIUWenyi,LIULiqun,SHANMengchen,ZHANGYu

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

An intelligent laboratory monitoring control system is designed based on ZigBee wireless communication technique. This system consists of ZigBee wireless data collection nodes and a coordinator. Signals from the sensors can be collected and transferred wirelessly by the ZigBee wireless nodes which contain temperature sensor, hygrometer, smoke transducer, human infrared sensor, relay, flame sensor, photosensitive sensor, etc. The function of the ZigBee coordinator is to receive the data sent by nodes and connect to the upper computer. The data are transferred into the upper computer, and then analyzed and displayed. The development environment of the upper computer is the LabView software. The network used in authors' laboratory proved the effectiveness and feasibility of the proposed intelligent laboratory monitoring control system.

laboratory monitoring; wireless sensor network; intelligent monitoring; laboratory safety

2016-10-18

国家自然科学基金(51505202)；江苏省基础研究计划(BK20140238)；江苏省高校实验室研究会研究课题(2015)；江苏省大学生创新项目(201510320088Y)

刘文艺(1984-)，男，河南永城人，博士，副教授，研究方向为无线智能监控，机械故障诊断。

Tel.：15262193230； E-mail: liuwenyi1984@126.com

TP 391; G 482

A

1006-7167(2017)06-0259-04