孫九瑞，孫曉晨

山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島 266590

基于ZigBee的圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

孫九瑞，孫曉晨

山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東青島 266590

為了改善圖書館閱讀環(huán)境，提出了一種基于ZigBee的圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TI公司的CC2530芯片為核心，結(jié)合CC2591芯片、各類型傳感器及PC上位機構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺。終端節(jié)點采集圖書館各處的溫濕度、光照強度、有無煙霧以及是否有人等信息，通過Zigbee協(xié)議搭建無線通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器將接收的數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送給上位機，通過上位機軟件對數(shù)據(jù)分析、顯示、處理。系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)多重數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、對異常情況進(jìn)行報警，還可以根據(jù)管理員的操作實現(xiàn)相應(yīng)調(diào)控。

環(huán)境監(jiān)控；傳感器；ZigBee；無線通信網(wǎng)絡(luò)；上位機

在社會日常生活中，人們對圖書館的閱讀環(huán)境提出了更高要求，如何保證圖書館內(nèi)適宜的溫濕度、良好的光線，提供可靠的防火安全措施以及減少能源浪費等都成為亟需解決的問題。由于ZigBee協(xié)議是一種基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［1］，具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、可擴展、時延短、安全性高、可靠性強、數(shù)據(jù)速率低等特點，其被廣泛應(yīng)用于生活的各個方面［2-3］。文中設(shè)計了一種基于ZigBee的圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對環(huán)境因素的實時監(jiān)測并能根據(jù)管理員操作做出相應(yīng)調(diào)控，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 系統(tǒng)概述

圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由上位機、協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點（包含傳感器及相關(guān)控制電路）組成［4］。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器上電，選擇信道、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，建立網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點自動加入并采集溫濕度、光照強度，檢測煙霧信息、是否有人，然后將數(shù)據(jù)傳送給路由器節(jié)點；經(jīng)過路由器節(jié)點之間的互相通訊以及數(shù)據(jù)處理，最終將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點傳至上位機；上位機軟件將所測得的信息進(jìn)行實時顯示，以方便管理員對圖書館環(huán)境進(jìn)行查詢與監(jiān)控。同時軟件平臺可根據(jù)管理員操作向下位機發(fā)送命令，傳送到相應(yīng)終端節(jié)點實現(xiàn)對溫度、濕度、燈光及警報的控制。終端節(jié)點可根據(jù)檢測的煙霧信息自動進(jìn)行火災(zāi)報警，同時也可以根據(jù)需要實現(xiàn)防盜警報。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

系統(tǒng)的終端節(jié)點以CC2530芯片為核心結(jié)合各個傳感器以及相關(guān)控制電路組成［5］。

2．1．1 終端節(jié)點傳感器電路設(shè)計

1）選用數(shù)字型插針式的DHT11溫濕度傳感器采集圖書館各處溫度、濕度。DHT11是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器，包括一個電阻式感濕元件以及一個NTC測溫元件，并與一個高性能的8位單片機相連接。具有體積小、功耗低、精度高、響應(yīng)快、抗干擾性強、性價比高等優(yōu)點。溫濕度傳感器接口電路如圖2所示，LED1為溫濕度傳感器工作指示燈。

圖2 溫濕度傳感器接口電路

2）選用具有多分辨模式的BH1750FVI光照傳感器。BH1750FVI內(nèi)部包含接近人眼反應(yīng)的光敏二極管（PD）、集成運算放大器（AMP）、ADC模塊、光強度計算和I2C總線接口（Logic＋I(xiàn)C Interface）以及內(nèi)部振蕩器（OSC）。測量時無需其他外部件，對應(yīng)廣泛的輸入光范圍（相當(dāng)于1～65 535 lx），直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計算，光源依賴性弱，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進(jìn)行1 lx的高精度測定。文中選用分辨率在1 lx的H分辨率模式。電容作用是濾波，為了輸入穩(wěn)定的電壓，I2C時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA分別接到IO引腳；地址選擇線直接接地，即從機的地址為“0100011”［6］。如圖3光照傳感器接口電路所示，ADDR引腳接地，SCL與SDA引腳分別與P0．4、P0．5相連，LED2為光照傳感器工作指示燈。

圖3 光照傳感器接口電路

3）選用MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測煙霧濃度來實現(xiàn)火災(zāi)防范與警報。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中煙霧濃度越大，傳感器電導(dǎo)率越大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，從而判斷是否有煙霧存在。煙霧傳感器接口電路如圖4所示。

圖4 煙霧傳感器接口電路

MQ-2傳感器連接在P0．6端口上，正常工作時輸出高電平，當(dāng)與煙霧接觸時，輸出變?yōu)榈碗娖?；蜂鳴器電路接在P0．7端口，當(dāng)有險情發(fā)生時，P0．7端口向外輸出低電平，蜂鳴器發(fā)出響聲提醒用戶注意安全，同時通知上位機。

圖5 紅外熱釋電傳感器接口電路

4）選用HC-SR501紅外熱釋電傳感器來判斷是否有人。由傳感器探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)匹配器組成，人體發(fā)射的紅外線由菲泥爾濾光片增強后聚集到采用熱釋電元件的紅外感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)源在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡。人進(jìn)入其感應(yīng)范圍，輸出高電平；人離開感應(yīng)范圍，則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平［7］。紅外熱釋電傳感器接口電路如圖5所示。

2．1．2 終端節(jié)點控制電路設(shè)計

終端節(jié)點通過接收上位機命令后執(zhí)行控制繼電器指令，以完成對溫濕度、燈光及報警的開關(guān)控制。繼電器作為一種電控制器件，實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中。

圖6為終端節(jié)點控制燈光開關(guān)電路，其他控制單元與此相似，不做贅述。上位機下達(dá)指令傳送到終端節(jié)點，終端節(jié)點通過P1．3端口控制繼電器吸和與斷開完成燈光控制。電阻R11主要起限流作用以降低Q2功耗，電阻R12使Q2可靠截止，LED5為繼電器工作指示燈，二極管D1選用IN4148，起保護(hù)作用。

圖6 終端節(jié)點控制電路

2．2 路由節(jié)點硬件設(shè)計

路由器節(jié)點以CC2530作為核心，以CC2591為前端傳輸。增加CC2591芯片，可以提高信號的輸出功率，擴大傳輸距離（通信距離在視野好的開闊環(huán)境可達(dá)500 m以上），減少路由器的數(shù)量［8］。

CC2591射頻前端模塊電路如圖7所示，CC2591的3個使能控制引腳HGM、EN、PA＿EN引腳都連接到CC2530的I／O端口P1＿2、P1＿4、P1＿1，射頻輸入輸出引腳RF＿N和RP＿N分別與CC2530芯片的射頻輸入輸出引腳RF＿N、RP＿N相連。

圖7 CC2591射頻前端模塊電路

由于路由器節(jié)點需要一直搜索是否有信息需要轉(zhuǎn)發(fā)，功耗較大，故采用直流5 V供電，通過低壓差電壓調(diào)節(jié)器AMS1117輸出3．3 V給CC2530供電。路由器節(jié)點電源電路如圖8所示，路由器節(jié)點實物如圖9所示。

圖8 路由器節(jié)點電源電路

圖9 路由器節(jié)點

2．3 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)配置、與上位機控制軟件通信以及完成信息的發(fā)送與接收。為了方便上位機控制軟件與CC2530芯片之間的通信，采用PL2303芯片實現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換，同時將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V給CC2530直接供電。協(xié)調(diào)器節(jié)點外圍電路如圖10所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點實物圖如圖11所示。

圖10 協(xié)調(diào)器節(jié)點外圍電路

圖11 協(xié)調(diào)器節(jié)點外圍電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為4部分：終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與模塊控制、路由器節(jié)點控制以及協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)與上位機通信及上位機控制軟件設(shè)計。本系統(tǒng)軟件采用C語言模塊化編程方式，使程序利于調(diào)試和修改，同時也增強了程序的可讀性和可移植性。

3．1 系統(tǒng)各節(jié)點軟件設(shè)計

利用TI提供的ZigBee 2007協(xié)議棧進(jìn)行編程，ZigBee協(xié)議分為2部分，IEEE 802．15．4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問層）技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持子層）、APL（應(yīng)用層）技術(shù)規(guī)范［9］。ZigBee協(xié)議棧將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供了應(yīng)用程序編程接口（application pro-gramming interface，API），用戶可以直接調(diào)用。終端節(jié)點［10］、路由器節(jié)點［11］及協(xié)調(diào)器節(jié)點控制流程如圖12～14所示。

圖12 終端節(jié)點軟件設(shè)計

圖13 路由器節(jié)點軟件設(shè)計

圖14 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

圖15 上位機管理軟件界面

3．2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機軟件在．NET平臺下使用Visual Studio 2012提供的圖形化的可視窗體設(shè)計器結(jié)合SQL Server 2008進(jìn)行設(shè)計，可以實現(xiàn)所見即所得的設(shè)計效果，方便對系統(tǒng)的管理和控制［12］。

菜單欄為系統(tǒng)常用菜單選項，包括管理、設(shè)置、用戶切換、系統(tǒng)日志和幫助等。地址選擇欄提供地點名稱，每一地點對應(yīng)相應(yīng)的節(jié)點狀態(tài)及控制選擇面板，面板中包括顯示節(jié)點的狀態(tài)信息（溫度、濕度、光照強度、是否有人、有無煙霧）；工作方式選擇（自動控制和手動控制）；自動控制時的溫度范圍、濕度范圍及光照強度最小值；溫控模塊、濕控模塊及燈光管理模塊的開關(guān)選擇；有人區(qū)域列表。底部為系統(tǒng)時間和系統(tǒng)工作狀態(tài)。上位機管理軟件界面如圖15。

系統(tǒng)以社科借閱區(qū)A（20 m×14 m）為例進(jìn)行測試，節(jié)點1、2位于南側(cè)向陽區(qū)，節(jié)點3、4位于中央?yún)^(qū)，節(jié)點5、6位于北側(cè)靠墻區(qū)。測試節(jié)點間沒有墻體和書架阻隔且為靜止?fàn)顟B(tài)，6個節(jié)點均能順利加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點狀態(tài)信息如表1。

表1 社科借閱區(qū)A各節(jié)點狀態(tài)信息

溫度均值為26．67℃；濕度均值為50．17%；無煙霧，系統(tǒng)未報警；有人區(qū)域列表包括所有節(jié)點；溫度、濕度及光照強度均在設(shè)定范圍內(nèi)，相應(yīng)模塊未工作。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種基于ZigBee的圖書館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，簡要介紹了系統(tǒng)各部分軟硬件組成、設(shè)計方法及主要流程。由于ZigBee低成本、低功耗、自組網(wǎng)、容量大、可擴展等特點，既省去了傳統(tǒng)布線的繁瑣工作，也為系統(tǒng)的節(jié)點的增加、功能的擴充提供了便利。系統(tǒng)較好地完成了對環(huán)境信息實時監(jiān)控的基本要求，改變了人工操作費時費力的狀況，對工業(yè)生產(chǎn)、樓宇消防、安全警報等方面有一定的借鑒意義。

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［2］王永春．ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用［J］．智能建筑與城市信息，2009（1）：76-79．

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Design of the library environmentmonitoring system based on ZigBee

SUNJiurui，SUNXiaochen
College of Electronics，Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China

In order to improve the quality of the library reading environment，a library environmentmonitoring sys-tem based on ZigBee was presented in this paper．A CC2530 chip of TIwhich is used as the core，together with a host computer，the CC2591 and some sensors compose the hardware platform of the system network．The terminal nodes collect information of the library，such as temperature，humidity，light intensity，smoke and people．Accord-ing to the Zigbee protocol，thewireless communication network is built to send data to the coordinator node，the co-ordinator collects the data through its nodes and then send data to the host computer by the serial port communica-tionmeans．The data are analyzed，displayed，and processed by the PC software．The system can not only realize the real－timemonitoring ofmultiple data，and warning of abnormalsituations，butalso implement the regulation by the operation of the administrator．

environmentmonitoring；sensor；ZigBee；wireless communication network；host computer

TP216

A

1009-671X（2015）03-049-06

10．3969／j．issn．1009-671X．201409001

2014-09-03．

日期：2015-04-20．作者簡介：孫九瑞（1989-），男，碩士研究生．通信作者：孫九瑞，E-mail：skdsjr＠126．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150420．1012．001．html