韩团军，尹继武，张攀飞，郑 旭，郑争兵

基于GPRS和Zigbee的远程实验室安全管理系统设计

韩团军，尹继武，张攀飞，郑 旭，郑争兵

（陕西理工大学 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723000）

针对当前高校实验室安全管理效率和信息化程度低下，提出了一种基于GPRS和Zigbee的远程实验室安全管理系统。该系统利用检测终端对多个实验室互联，并对其环境各种信息量进行自动检测，对检测得到的数据进行分析处理、显示以及超阈值报警及自动对火灾现象灭火等。经实验测试，该系统能够实现实验室安全环境数据的实时监测，提高了实验室安全管理的信息化程度，可以满足各个高校的实验室安全需求。

远程实验室；Zigbee组网；互联网；服务器

近些年，随着高校实验室建设能力加大，实验室已经成为高等学校的重要组成部分，实验室安全，已经成为高校和政府部门高度关注的大事。如何利用现在的科技手段快速、有效地发现安全隐患并能将隐患自动排除，已经成为实验室和科研人员研究的重点。传统的实验室监测装置较为简陋，通过有线方式或者以本地方式进行检测。实验室管理人员的工作量大，整个系统操作不方便，如果工作人员疏于管理或者科研人员错误操作，就会发生一些不安全事故，同时事故不能及时自动排除。本文提出了一种基于GPRS和Zigbee的远程实验室安全管理系统，该系统利用现有的物联网技术，检测终端对多个实验室互联并对其环境各种信息量进行自动检测，对检测得到的数据进行分析处理、显示以及超阈值报警、自动对火灾现象灭火等，整个系统能够实现实验室环境各种参量的实时监测和自动排除危险的功能。

1 系统的硬件设计

整个系统主要由4个部分构成：终端传感器对各监测点数据的采集、多终端Zigbee和协调器Zigbee相互通信、GPRS模块将打包的数据上传至阿里云服务器、远程客户端上位机软件。其中终端主控STM32单片机通过接口控制其传感器对其温湿度、烟雾浓度、火焰等外界环境的信息进行采集，获取参数并显示在OLED液晶屏上。多个终端Zigbee进行多实验室的互联，并将获得的信息通过协调器Zigbee发送至主控制器STM32单片机上。协调器Zigbee接收到的多终端数据以通过串口方式将其发送至主控单片机STM32,主控芯片又启动GPRS模块将数据包上传服务器上位机软件进行数据包的解压、分析、实时显示、保存等功能。上位机又可通过数据的下发来控制终端继电器的开关来实现远程紧急断电和灭火等功能。协调器和GPRS传输数据并上传至云平台，总系统硬件设计框图如图1所示。

图1 整个系统的硬件框图

1.1 系统电源模块设计

系统采用5 V和3.3 V两种电源电压为不同模块进行供电。5 V电压采用LM2940稳压芯片进行设计，该芯片具有输出电流大，最大可达1 A，输出电压范围较宽，最大输出电压为26 V，在–40~+125 ℃温度范围内工作比较稳定，其内部含有静态电流降低电路过热保护、输入电源反接保护电路。系统所需+3.3 V电压采用稳压芯片AMS1117-3.3将设计好的+5 V电压转化为STM32控制器所需要的+3.3 V电压，可以在芯片输出电压处接一个LED指示灯显示供电状态提醒。整个系统的电源设计如图2所示。

图2 整个系统的电源设计图

1.2 无线模块电路

无线模块分为Zigbee通信模块和GPRS远程数据传输模块。系统中终端监测部分与主控制器之间相互组网采用Zigbee模块。Zigbee模块采用CC2530F256RHAR芯片进行设计，芯片的传输速率为3300 Bps，采用UART串口通信方式，接收灵敏度为–97 dBm，点对点通信可实现0误比特率传输，广播模式下为5%的误比特率以下。该芯片发射功率为20 dBm，芯片中集成了一块CC2591功放，可测试距离达1000 m以上。Zigbee电路设计如图3所示。

GPRS模块采用SIM800C，是一款四频GSM/ GPRS模块，体积小巧，性价比高，工作性能稳定，工作频段GSM/GPRS850/900/1800/1900 MHz，可以在低功耗下实现SMS、语音数据信号传输。GPRS模块在系统中作为协调器和服务器之间的桥梁，将采集的数据上传至云平台。设计中使用模块的TTL电平串口通信连接方式进行数据的传输，采用12 V 1 A电源供电源适配器，其最小系统电路如图4所示。

1.3 传感器电路设计

多传感器有温湿度传感器，烟雾、气体传感器，火焰传感器和继电器远程端控制电路。温湿度传感器采用Sensirion公司生产的SHT30，该产品体积小、可靠性高、性能长期稳定、功耗低、采用IIC通信，非常适合应用于复杂环境温湿度监测。该传感器温度测量精度可以达到0.01 ℃，湿度精度可达0.03% RH，温度测量范围为–40~125 ℃，湿度测量范围为0%~ 100% RH，能够满足本系统的需求。设计电路如图5所示。

烟雾、气体采用MQ-5型传感器，通过对传感器添加加热器电压和测试电压即可将电导率的变化转换成该气体浓度相对应的输出电压幅值。调节电位器R8可以改变TTL输出的灵敏度。DOUT为TTL的高低电平输出端，AOUT则是模拟电压的输出端。该电路具有电平信号和模拟量双路输出。电平信号可连接单片机中断，当待测气体的浓度达到阈值时，触发单片机响应。模拟量输出电压与浓度的高低为线性关系，电压越高则浓度越高。烟雾气体传感器电路设计如图6所示。

图3 Zigbee电路设计图

图4 GPRS最小系统电路图

图5 温湿度传感器电路图

图6 烟雾气体传感器电路图

继电器模块系统使用5 V供电模块，电路设计上直接使用三极管提供驱动。在实际电路中注意在继电器的电源端一定要反接一个二极管，同时最好在靠近继电器的电源端接入1000 uF以上的电容，以增强电路的稳定性。利用继电器，在现代家居生活中可以连接多种家用电器实现自动控制和远距离控制，具有很高的实用性。设计电路如图7所示。

图7 继电器控制电路图

2 系统软件设计

整个系统的软件设计可以分为终端检测节点、协调器汇总节点和上位机软件设计。

2.1 终端检测节点软件设计

终端检测节点包括各个采集模块传感器的初始化程序、采集到的数据进行处理分析以及通过Zigbee无线传送的通信子程序。系统首先上电复位执行操作，然后执行数据的采集，温度采集模块SHT30和STM32之间通过IIC总线通信，MQ-5气敏烟雾传感器的数据通过STM32内部ADC模块读取，火焰传感器的5路数据直接由单片机IO口读取高低电平。最后将采集到的数据进行分析处理、校正计算，得到实际的结果值通过STM32单片机串口控制的Zigbee模块将此数据传送至协调器汇总节点。程序流程图如图8所示。

图8 终端数据采集发送软件流程图

2.2 协调器汇总节点软件设计

协调器汇总节点包括STM32单片机、Zigbee通信模块和GPRS无线发送模块。Zigbee模块由STM32控制器UART3控制，负责接收终端发送过来的数据包并进行数据校验、分析处理。GPRS模块与STM32控制器UART3之间进行通信，是将分析后重新打包的数据通过此串口发送给云平台。其程序流程图如图9所示。

图9 数据接收和无线传输软件流程图

2.3 上位机软件开发程序设计

系统的上位机软件采用Visual Studio 2010开发平台完成，该平台操作方便，通过对控件和库的调用来实现控制数据界面。服务器和上位机是通过TCP协议通信。用户可以根据自己的检测数据和要求进行定义端口。整个系统上位机软件主要由4部分组成：软件参数设置模块、远程紧急开关的设置模块、原始数据接收及显示模块、数据处理及绘图模块，详细模块功能如图10所示。

图10 上位机开发软件功能图

3 系统测试与分析

3.1 系统的测试终端

对整个系统进行整体软硬件设计，得到了整个GPRS和Zigbee的远程实验室安全管理系统。为了验证整个系统的可靠性和准确性，设计中模拟了安全管理实验环境测试平台，首先准备好2个监测终端，协调器汇总节点和测试电脑1台。将2个监测终端分别放入相邻的2个实验室中，并将协调器汇总节点随机放入其中一个实验室中，进行系统的实际测试。安全管理系统实物终端图如图11所示。

图11 远程安全管理系统实物图

3.2 监测数据采集及分析

整个系统搭建成功后，对模拟的终端通过人为改变外界环境来观察此系统监测的数据变化情况。对各个检测点进行可靠性分析，观察上位机数据的变化和做出相应的记录，证明系统的正确性。上位机开发界面数据显示如图12所示。

通过监测系统对环境数据的采集，不同时刻的温、湿度数据如表1所示。由上面数据可以看出监测系统测量的温、湿度数据和实际数据基本一致，符合监测系统需求。

同时，可以通过远程控制部分点击上位机界面上的控制紧急按钮，观察到终端监测点上响应的继电器开关已经打开，并且控制的灭火装置和紧急断电装置已经正常工作，并可观察到火焰靠近传感器时远程客户端的上位机火焰标志已响应，本地蜂鸣器报警已打开，继电器控制其喷水装置已经正常工作以及模拟的照明系统的电源也已经断开。证明了整个系统工作正常。

图12 上位机界面数据显示状态图

表1 温湿度监测数据

4 结语

本文设计了一种基于GPRS和Zigbee的远程安全管理系统，完成了整个系统的软硬件设计。Zigbee组成的无线通信网络将传感器检测到的数据通过串口发送和接收汇总并处理分析，采用GPRS互联网技术将汇总的数据重新打包完成的数据，上传至阿里云服务器平台进行显示和保存。整个系统网络结构简单，工作稳定可靠。

[1] 丁江江，李娟莉，王学文.基于ZigBee和GPRS融合的矿井提升设备状态监测系统设计[J].中国煤炭，2019, 45(2): 69–74.

[2] 李大海，张亚超，陈素.基于ZigBee和GPRS技术的油田抽油机无线数据采集传输系统[J].仪表技术与传感器，2018(11): 93–96, 100.

[3] 白聪，王宜怀，司萧俊.基于KW01-ZigBee+GPRS的无线气象监控系统的设计与实现[J].现代电子技术，2017, 40(18): 70–74.

[4] 项亚南，芦俊，戴晨曦，等.基于物联网的新型浮力窨井研究与开发[J].给水排水，2019, 55(2): 129–133.

[5] 张瀚中，曹江涛，邵鹏飞，等.基于WSNs的温室大棚智能灌溉控制系统设计[J].控制工程，2019, 26(1): 108–113.

[6] 刘旭明，王伟.基于遗传算法优化的支持向量回归的室内定位算法[J].科学技术与工程，2019, 19(2): 114–119.

[7] 韩团军.基于WiFi与ZigBee的山区农田环境监测系统研究[J].现代电子技术，2019, 42(2): 14–17.

[8] 黄一才，李森森，鲍博武，等.面向ZigBee网络节点安全定位的消息签名方案[J].电子与信息学报，2013(3): 1–7.

[9] 李畸勇，胡恒，张航，等.基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统设计[J].实验技术与管理，2018, 35(12): 156–160.

[10] 白璐，王然风.基于RSSI井下人员定位Trilateration-GSA算法研究[J].煤炭工程，2018, 50(12): 123–126.

[11] 韩团军.基于Wi-Fi与GPRS的远程生理参数测试系统设计[J].实验室研究与探索，2018, 37(03): 65–69.

[12] 赵馥琳，韩博，李绪泉.大数据时代下基于ZigBee和数据挖掘技术的空调测控系统[J].青岛理工大学学报，2018, 39(6): 81–84, 108.

[13] 何春雨，金家善，孙丰瑞.基于LINGO软件的舰船装备修理级别优化分析[J].上海交通大学学报，2011, 45(1): 78–82.

Design of remote laboratory safety management system based on GPRS and Zigbee

HAN Tuanjun, YIN Jiwu, ZHANG Panfei, ZHENG Xu, ZHENG Zhengbing

(Physics and Telecommunications Engineering Department, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

In view of the low efficiency and informatization of laboratory safety management in colleges and universities, a remote laboratory safety management system based on GPRS and Zigbee is proposed. The system uses the detection terminal to interconnect multiple laboratories and automatically detect various environmental information, analyze and process the detected data, display, alarm over threshold and automatically extinguish fire phenomena. Through the experimental test, the system can realize the real-time monitoring of laboratory safety environment data, improve the information level of laboratory safety management and meet the laboratory safety needs of colleges and universities.

remote laboratory; Zigbee networking; Internet; server

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.059

S275.6

A

1002-4956(2019)11-0240-05

2019-03-01

国家自然科学基金资助项目（61401262）；陕西省教育厅基金项目（18JK0160）；陕西理工大学2017年科研基金项目(SLGKY2017-16)

韩团军（1981—），男，陕西乾县，硕士，讲师，研究方向为集成电路设计与分析。E-mail: htjzyh@163.com