孔帅 张亚军

摘 要：随着全民性的健身运动迅速在全国普及，体育场馆安全环境的监测与建设引起了体育科学、环境科学等相关领域的共同关注。本文提出一种基于ZigBee协议的体育场馆环境监测系统。通过温度、湿度、烟雾、CO2等传感器结合ZigBee网关等硬件设备实现数据传输及处理、信息发送提醒等服务。将该系统应用于体育场馆等健身场所不仅可以更大程度保证健身群体的身心健康，也能使健身中心的管理更加高效、安全、便捷，解决传统管理方式存在的缺陷，从而为场馆管理提供科学决策依据。

关键词：监测；ZigBee；传感器；数据；网络；AT

中图分类号：TP274；TP277 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0152-03

Design of Environmental Monitoring System for Sports Venues

KONG Shuai，ZHANG Yajun

（Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China）

Abstract：With the rapid popularization of nationwide fitness activities，the monitoring and construction of stadium Safety environment has aroused the common concern of sports science，environmental science and other related fields. This paper proposed a stadium environmental monitoring system based on ZigBee protocol. By temperature，humidity，smoke，CO2 and other sensors combined with ZigBee gateway and other hardware equipment to achieve data transmission and processing，information sending reminders and other services. The application of this system in gymnasiums and other fitness places can not only guarantee the physical and mental health of fitness groups better，it can also achieve more efficient，safe and convenient management，and solve the defects of traditional management methods，so as to provide scientific decision-making basis for venue management.

Keywords：monitoring；ZigBee；sensor；data；network；AT

0 引 言

2008年北京夏季奥运会的成功举办，推进我国全民体育事业的大发展，全民健身运动成为与奥运争光并重的国家战略。2017年全国运动会在天津的顺利举办，更加促进了天津体育事业的发展。天津作为直辖市之一，也积极倡导全民健身，全民体育事业蓬勃发展。天津市政府也高度重视体育场馆建设，积极倡导体育场馆和高校体育场所对社会大众开放。随着全民健身的开展，公共体育场馆“环境安全”问题也日益突出。

广义的场馆环境安全是指体育比赛、体育健身使用的运动场、馆内的空气环境（有害空气）、装备、维护工具器材表面微生物（致病种类）含量对使用人员的健康安全的影响。影响体育运动环境的因素很多，包括大气环境，有害空气，微生物种类和含量等。由于条件有限，我们本次研究的重点在于室内环境的检验检测。室内空气质量检测的方法主要分为三种：气体耗氧量法、化学分析法和传感器检测法。本文采用传感器的方法来收集场馆的温度、湿度、二氧化碳的浓度等信息。

本研究设计开发了一种能够对氧气、二氧化碳、温度、湿度等进行实时监测的空气质量监控系统，并且采用符合国家标准的检测仪器（国家质检总局）在相同的位置测试并记载数据，和传感器的数据进行对比分析，开发数据处理软件对传感器得来的数据进行处理，使其更加准确有效。对报警数据进行屏幕提醒，并发送到管理者预设的手机上。提醒场馆管理者注意室内空气质量的变化，以便采取通风、开启空调等操作，以保障空气质量。

1 系统平台总体结构

1.1 系统结构设计和要求

根據前期体育场馆的业务调研，本系统设计要求：

每隔10分钟就采集一次所有位置的温湿度、CO2数据。

为方便以后进行数据分析，数据应至少保存两年，如果偶然丢失某次采样数据，也可以接受。

本系统将取代原有的手工取样的监控方法，因为体育场馆都比较大、挑高高度高，传统的有线网络方案并不适用。

采集后的数据通过有线或无线网络向PC机器传输和存储数据。

考虑到各种传感器的误差，需要对数据进行二次处理，以保证数据的正确性。

考虑到采集点的安装方便性和使用的长期性，终端建议使用电池供电，电池工作时间最少为一年。

根据场馆的空气数据，设计提醒报警功能。

1.2 系统设计框图

系统总体结构框图如图1所示，该系统由采集模块、接收处理模块和分析模块三大部分组成。采集模块主要完成氧气和二氧化碳浓度、温度和湿度的检测，并将检测数据通过无线传输方式发送至接收模块。系统通过传感器来实时采集分布在体育馆各处的温湿度、二氧化碳浓度等信息，借助ZigBee网络将收集的信息通过ZigBee网关发送到PC网络。

接收处理模块是系统的主要模块，主要用于接收采集模块发送过来的数据，并进行暂存、报警等操作，然后再将数据发送至分析模块，当发出报警信息的同时，手动开启通风设备或空调设备。

分析模块主要完成对数据的存储和分析任务，并控制显示屏显示当前空气质量数据。

1.3 本系统采用的网络设计

本系统属于较典型的物联网组网应用。物联网在网络传输层主要包括3个部分：汇聚网，接入网和承载网。汇聚网主要采用短距离通信技术，如ZigBee、蓝牙、红外线以及私有协议（如SimpliciTI）等技术，实现小范围的感知数据的汇聚。接入网主要采用M2M及全IP融合架构实现感知数据从汇聚网到承载网的接入。承载网主要是指各种核心承载网络，如常用的GSM，3G/4G，WLAN，IP网络等。

802.15.4、ZigBee和SimpliciTI等低功耗无线协议都能比较好地实现复杂性与简便易用性的平衡，其提供的完整协议架构，便于技术方案的实施。协议特性与简便易用性相平衡是我们要考虑的一个重要选择标准，基于协议的开放性和广泛性，我们选择使用支持ZigBee协议的系统架构。Zigbee网络还具有組网速度快、网络容量大、功耗低等优点。

本方案采用的是支持ZigBee协议的cc2530单片机，采集监测模块放置在场馆里，支持ZigBee协议组网。采集模块和支持ZigBee的网关通过ZigBee协议组成网络，由协调器、路由器、终端设备组成。其中ZigBee网络中的协调器能够建立和维护网络，并存储网络信息，是网络的认证中心。ZigBee网络中的路由器主要作用在于网络的扩展功能，能够连接终端设备和中心节点。

我们选用的ZigBee协议的网关NLE-PE9000，支持ZigBee协议和以太网协议，支持WiFi接口或者以太网接口，通过网线或者无线网络连接到PC网络。我们将ZigBee无线协议转换为TCP/IP协议；此网关功能强大，方便开发使用。

将网关连接至普通的交换机或路由器（注意此路由器是普通家庭上网用的路由器，不是ZigBee概念中的路由器），即可将ZigBee系统与Internet网络连接，方便管理者远程查看、监控场馆环境。

1.4 系统硬件软件方案

空气温湿度传感器采用高精度两线串口数字温湿度传感器，温度值输出分辨率为12位，湿度值输出分辨率为14位。传感器电源电压范围2.4～5.5V。测量时电流消耗约为550μA，平均28μA，休眠时为3μA。节点可以设置为定时采集，采集完成后进入休眠状态，可进一步降低功耗。

CO2传感器光敏探头功率比较低，不到50mW，供电电压不到5V。即可以通过两线串口，读取温湿度数据，通过AD间接读取光照数据。或者通过ZigBee组网传递数据。

传感器终端节点均可以通过COM口进行烧制。

网关型号为新大陆的NLE-PE9000，本网关设备支持WiFi、RS485、以太网、ZigBee、USB、RFID、蓝牙等通讯功能，支持电容触摸屏，使用电源电压为12V。网关设备的底部有Debug调试口、485接口、电源按键、CAN口。其中调试口可用专门的调试线将网关连接到电脑端进行调试；485接口使用专门的网关连接线连接ADAM4150/4017数据采集模块，从而获取有线传感数值；CAN（控制器局域网总线）遵守CAN总线协议，是一种用于实时应用的串行通讯协议总线。在以太网设置中，可以设置网关连接云平台的通讯IP及端口，负责和上位机进行通讯。通过USB口或以太网口对网关程序进行烧制。

我们采用的短信模块为RDT-S400模块，该模块支持标准的RS232接口，采用工业级高性能GSM收发模块，发射功率为2W，串口速率1200至115200bps可调，采用标准直流12V电源供电，和管理服务器相连接，工作温度适应范围广。我们使用的AT（AttenTIon）指令集是调制解调器通信接口的工业标准，现在市场上大多数手机均支持GSM7.05规定的AT指令集。GSM通信短信模块通过AT命令来进行控制，数据传输采用短消息方式。一般的GSM模块都支持AT指令，因此计算机或单片机可以通过串口直接向GSM模块发送AT指令，来方便地实现短信息SMS的发送、接收和管理。

2 系统运行主要过程

首先根据系统设计的要求，采集传感器节点，而后烧制程序，每隔10分钟需要上传数据。上电后先进行主动扫描，发现网络后申请加入，成功入网后将被分配短地址，然后向父节点发起绑定请求，成功后定时采集数据并发送，发送完毕进入睡眠状态，定时，时间到再进行数据采集并发送。

对于采集完成的数据，我们需要对数据进行校正处理。由于不同的传感器和测试仪器是基于不同的物理方法的，所以测试得到的数据存在差异。如在测试温度的时候，我们在同一个点分别用传感器、Fluke 724温度校准器等设备进行取样测试，然后对这些数据进行处理。我们利用得到的不同温度下的误差补偿，进行后期数据处理，得到比较真实准确的温度数据。其他数据处理的方法与此类似。

上位机需要对采集的数据进行收集存储。上位机还需要对ZigBee网络进行网络监测，确认传感器终端是否在线，还需要对终端节点的数据进行矫正计算。体育场馆的环境信息通过物联网发送到监控中心服务器端，由数据处理主机负责数据处理，包含显示环境状态模块、人机交互设置模块、报警输出模块和联动控制模块。当对体育场馆的环境数据进行分析处理时，如果空气中的温、湿度过高，CO2等有害气体含量过高，就可以通知管理人员打开窗户，或启动通风系统及时进行通风处理，保证室内空气的流通；另外，体院场馆的所有异常状态都将输出布置在场馆内的LED显示屏或电视墙上，从而多角度保护体育场馆使用人群的身心安全。

3 结 语

本文利用无线传感器、通讯网关、无线网络等物联网技术，结合体育场馆综合布线比较困难的实际情况，利用ZigBee网络低码流传输效率高、能耗低等优点，实现了温度、湿度、CO2数据的采集、处理等工作。充分利用ZigBee网络实现数据的传输和交互，为体育场馆的环境监测提供了科学依据。结合数据处理的优化，该系统在测量时具有精度高、稳定性好、实时性强等优点，为场馆环境监测、处理提供科学依据。

参考文献：

[1] 周海鸿，周嘉奉.基于ZigBee技术的温湿度监测系统 [J].国外电子测量技术，2015，34（7）：75-79.

[2] 焦尚彬，宋丹，张青，等.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统 [J].电子测量与仪器学报，2013，27（5）：436-442.

[3] 沙国荣，赵不贿，景亮，等.基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计 [J].电子技术应用，2012，38（1）：60-62+65.

[4] 朱斌，谭勇，黄江波.基于ZigBee无线定位技术的安全监测系统设计 [J].计算机测量与控制，2010，18（6）：1247-1249+1252.

[5] 周岭松，余春暄.基于ZigBee技术的温、湿度控制系统 [J].电子测量技术，2011，34（6）：47-50.

作者简介：孔帅（1977.03-），男，汉族，山东平邑人，就职于天津职业大学网络与信息管理管理中心，实验师，研究方向：网络管理，物联网研究等；张亚军（1977-），男，汉族，内蒙古人，就职于天津职业大学电子信息学院，讲师，研究方向：计算机软件开发等。