基于物联网的实验室环境监控系统研究

万百会　魏玲　邓云琛　王国辉

【摘 要】本文设计一套基于物联网的实验室环境监控系统，对实验室的温度、湿度等环境参数进行监测，并通过控制命令调控实验室的温、湿度，同时组建ZigBee无线网络并设计一套远程遥控管理系统，根据实验需求进行远程控制并记录实验室环境参数。由于具有良好的扩展性，该系统可应用于实验室以外的其他类似场合。

【关键词】实验室环境监控系统；Zigbee；无线网络

Research of Laboratory Environmental Monitoring System Based on the Internet of Things

WAN Bai-hui WEI Ling DENG Yun-chen WANG Guo-hui

（School of Electronic Information Engineering Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130022，China）

【Abstract】A set of laboratory environment monitoring system based on the internet of things is designed in the paper，Temperature， humidity and other environmental parameters is monitored in the laboratory， and temperature and humidity of laboratory is controlled through the control command， at the same time， the ZigBee wireless network is set up，and a set of remote management system is designed.The environment parameters is recorded in the laboratory according to the demand of remote control.The system can be used except the laboratory which is similar to other occasions，because of good expansibility.

【Key words】Laboratory environmental monitoring system； Zigbee； Wirelees network

0 引言

近年来，随着我国高校教育规模的不断扩大，高校在校生的数量不断增多，从而需要高校的实验室的功能进一步增强，使之成为培养高校优秀毕业生重要组成部分。研发实验室环境参数监控网络已经提上日程，目前这类网络系统主要是利用传感器组网完成实验室环境参数的感测，实现实验室安全的监控、管理和控制。实验室的环境条件是实验正常展开的最重要的保证之一，一般来说，实验室环境主要包括温度、湿度、光线、空气净化级别等等。通过/采集控制中心，实验室内的坏境条件可以适时的传送到中央处理系统，当温度高于系统设定最高温时，中央处理系统会通过控制实验室的开关，自动开启制冷空调；当湿度低于系统设定的最低值时，中央处理系统将自动开启加湿器的开关，当实验室的光线暗于最低值时[1]，同样，中央处理系统也可通过传感器自动打开实验室的灯光或窗帘等采光，当实验室出现安全问题时，如火灾，漏水，漏气等，采集控制中心和中央处理系统的互动将会在第一时间启动消防系统的自动报警功能，关闭有危险的电力，水力等系统，将险情在第一时间得到控制同时将实时信息反映在实验室管理人员的实时通讯设备例如移动电话接口等。

1 系统构成

基于物联网的实验室环境监控系统主要由AT89S52及其总线结构、键盘、LCD12864、5V继电器、声光报警、ZigBee模块、传感器（包括DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、红外热释电模块、光敏电阻小模块）组成，其结构框图如图1所示。

2 系统的工作原理

系统通过微控制器采集温湿度信号、光信号、烟雾信号以及输出一些控制信号，并通过ZigBee通信模块将采集的数据按照一定数据格式传输给管理PC机，在PC中对实验室环境参数进行采集及处理、统计等。系统中各个传感器节点的数量可以根据实验室的实际应用情况进行适当的扩展，这些节点自组织构成的无线传感器控制网络将具备感测、控制、判断、自恢复和多元通信等功能。系统中的各个传感器节点能够协同其他节点检测实验室的环境信息，并作出相应的判断和动作，同时将信息通过ZigBee发送给管理者或者接受管理者的指令进行相应的控制。

3 系统软件设计

3.1 监控网络系信息无线传输系统

系统设计采用的CC2430为核心的Zigbee控制模块。CC2430是一颗真正的系统芯片CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块。

图1 系统结构框图

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展[2]。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器、汇聚节点、传感器节点等三种角色。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee的组网方式如图2所示，系统中选用星型的组网方式。

图2 ZigBee的组网方式

3.2 监控网络系系统软件设计思想

从整个系统运行过程来看，可以将系统的运行流程分为上传处理和下控处理，上传处理主要是数据采集模块向控制中心的数据传输问题；而下控处理则主要是控制中心向数据采集模块发出控制命令，能对实验室内的设备比如灯光、温度、湿度等进行数据采集或控制。

在上传处理时，ZigBee无线传感器模块嵌入式软件是主要的组成部分，运行时首先需要创建无线网络，然后进行配置，将现场的实时信息发送到网络中；一旦接收到数据上传命令，就将采集的信息上传；网关在接收到无线传感器网络发送的数据后，一方面，需要对数据的正确性进行校验；另一方面，及时将数据根据协议进行封装，把数据发送到网络中的远程管理节点，并根据有效传输数据对现场的情况有所了解，从而做出不同的控制策略。

在下控处理时，系统首先由远程控制中心发送允许控制命令，同时要将底层的无线传感器网络建立起来，一旦远程用户控制中心通过控制界面对底层发送控制命令或呼叫命令，首先要检测命令的正确性，然后，依据命令中的设备号查询控制的设备名称，当这些设备都正常运转时，将命令传输至底层的控制模块，利用终端单片机发送命令进行现场的控制，系统总体程序流程图如图3所示。

4 结束语

进行实时、多元的检测，实现了智能化无线网络安全监控功能；充分利用了ZigBee无线网络的稳定性和良好的可扩展性的特点，保障了系统的可扩展性，为实验室环境参量的实时监控提高提供了一个高效的实用平台。本文设计的基于物联网的实验室环境监控系统，实现了远程实验室环境数据采集和无线传输，系统测试的结果基本达到了预期要求。该系统具有良好的可移植性和扩展性，可以根据实际需求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。

【参考文献】

[1]李磊，林土胜，吴振强.基于Zigbee技术的实验室无线安全监控系统研发[J].实验室技术与管理，2011，28（1）：108-116.

[2]李文仲.Zigb ee2006 无线网络与无线定位实战[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[责任编辑：汤静]

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器、汇聚节点、传感器节点等三种角色。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee的组网方式如图2所示，系统中选用星型的组网方式。

图2 ZigBee的组网方式

3.2 监控网络系系统软件设计思想

从整个系统运行过程来看，可以将系统的运行流程分为上传处理和下控处理，上传处理主要是数据采集模块向控制中心的数据传输问题；而下控处理则主要是控制中心向数据采集模块发出控制命令，能对实验室内的设备比如灯光、温度、湿度等进行数据采集或控制。

在上传处理时，ZigBee无线传感器模块嵌入式软件是主要的组成部分，运行时首先需要创建无线网络，然后进行配置，将现场的实时信息发送到网络中；一旦接收到数据上传命令，就将采集的信息上传；网关在接收到无线传感器网络发送的数据后，一方面，需要对数据的正确性进行校验；另一方面，及时将数据根据协议进行封装，把数据发送到网络中的远程管理节点，并根据有效传输数据对现场的情况有所了解，从而做出不同的控制策略。

在下控处理时，系统首先由远程控制中心发送允许控制命令，同时要将底层的无线传感器网络建立起来，一旦远程用户控制中心通过控制界面对底层发送控制命令或呼叫命令，首先要检测命令的正确性，然后，依据命令中的设备号查询控制的设备名称，当这些设备都正常运转时，将命令传输至底层的控制模块，利用终端单片机发送命令进行现场的控制，系统总体程序流程图如图3所示。

4 结束语

进行实时、多元的检测，实现了智能化无线网络安全监控功能；充分利用了ZigBee无线网络的稳定性和良好的可扩展性的特点，保障了系统的可扩展性，为实验室环境参量的实时监控提高提供了一个高效的实用平台。本文设计的基于物联网的实验室环境监控系统，实现了远程实验室环境数据采集和无线传输，系统测试的结果基本达到了预期要求。该系统具有良好的可移植性和扩展性，可以根据实际需求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。

【参考文献】

[1]李磊，林土胜，吴振强.基于Zigbee技术的实验室无线安全监控系统研发[J].实验室技术与管理，2011，28（1）：108-116.

[2]李文仲.Zigb ee2006 无线网络与无线定位实战[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[责任编辑：汤静]

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器、汇聚节点、传感器节点等三种角色。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee的组网方式如图2所示，系统中选用星型的组网方式。

图2 ZigBee的组网方式

3.2 监控网络系系统软件设计思想

从整个系统运行过程来看，可以将系统的运行流程分为上传处理和下控处理，上传处理主要是数据采集模块向控制中心的数据传输问题；而下控处理则主要是控制中心向数据采集模块发出控制命令，能对实验室内的设备比如灯光、温度、湿度等进行数据采集或控制。

在上传处理时，ZigBee无线传感器模块嵌入式软件是主要的组成部分，运行时首先需要创建无线网络，然后进行配置，将现场的实时信息发送到网络中；一旦接收到数据上传命令，就将采集的信息上传；网关在接收到无线传感器网络发送的数据后，一方面，需要对数据的正确性进行校验；另一方面，及时将数据根据协议进行封装，把数据发送到网络中的远程管理节点，并根据有效传输数据对现场的情况有所了解，从而做出不同的控制策略。

在下控处理时，系统首先由远程控制中心发送允许控制命令，同时要将底层的无线传感器网络建立起来，一旦远程用户控制中心通过控制界面对底层发送控制命令或呼叫命令，首先要检测命令的正确性，然后，依据命令中的设备号查询控制的设备名称，当这些设备都正常运转时，将命令传输至底层的控制模块，利用终端单片机发送命令进行现场的控制，系统总体程序流程图如图3所示。

4 结束语

进行实时、多元的检测，实现了智能化无线网络安全监控功能；充分利用了ZigBee无线网络的稳定性和良好的可扩展性的特点，保障了系统的可扩展性，为实验室环境参量的实时监控提高提供了一个高效的实用平台。本文设计的基于物联网的实验室环境监控系统，实现了远程实验室环境数据采集和无线传输，系统测试的结果基本达到了预期要求。该系统具有良好的可移植性和扩展性，可以根据实际需求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。

【参考文献】

[1]李磊，林土胜，吴振强.基于Zigbee技术的实验室无线安全监控系统研发[J].实验室技术与管理，2011，28（1）：108-116.

[2]李文仲.Zigb ee2006 无线网络与无线定位实战[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[责任编辑：汤静]