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基于ZigBee的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2018-02-26 12:23張鳳英
電子技術(shù)與軟件工程 2018年17期
關(guān)鍵詞:溫度傳感器

張鳳英

摘要

現(xiàn)如今,學(xué)校有了以有線通信為基礎(chǔ)的安防系統(tǒng),但是其運(yùn)行成本較高,靈活性差,基于此,本文設(shè)計(jì)基于ZigBee的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng),首先介紹什么是ZigBee及其構(gòu)成,接著介紹本設(shè)計(jì)用到的主要器材,溫度傳感器LM35DZ和煙霧傳感器MQ-2,然后介紹安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和安全監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作,最后闡述具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,僅供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】安全監(jiān)管系統(tǒng) 溫度傳感器 煙霧傳感器

學(xué)校的安全監(jiān)控工作一直是學(xué)校建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容,目前市面上的安全監(jiān)管系統(tǒng)一般采用有線通信,安裝成本較高,布線也比較復(fù)雜,學(xué)校在安裝過(guò)程中會(huì)考慮到資金有限,人力不足,而選擇減少安裝,使得學(xué)校的安防系統(tǒng)存在盲區(qū)。而在無(wú)線技術(shù)發(fā)達(dá)的今天,將無(wú)線傳感技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)完善結(jié)合就成為了研究學(xué)者關(guān)注的嶄新研究項(xiàng)目。

1 ZigBee及其構(gòu)成

ZigBee被稱為紫蜂協(xié)議,來(lái)源于蜜蜂的八字舞,蜜蜂在飛翔時(shí)會(huì)發(fā)出嗡嗡的聲音,以此與同伴傳遞信號(hào),告知同伴花粉所在位置。紫蜂協(xié)議的發(fā)展是在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上,延續(xù)了低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的特點(diǎn),是一種近距離的無(wú)線通訊技術(shù)。ZigBee具有傳輸距離短的優(yōu)點(diǎn),功率消耗較低。ZigBee成立于2001年8月份,創(chuàng)始人是Chipcon、Atmel、Helicomm,成立三年后推出第一個(gè)比較規(guī)范的版本ZigBeeV1.0,這個(gè)版本是單芯片獨(dú)立工作的系統(tǒng),在后來(lái)的幾年間,工作人員經(jīng)過(guò)不斷完善改進(jìn),形成了不同功能的協(xié)議棧,由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四個(gè)部分構(gòu)成,不同層之間的協(xié)作由“原語(yǔ)”來(lái)完成,各協(xié)議棧能夠相互交流信息,通過(guò)有效的相互協(xié)作,使得整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作。

2 主要實(shí)驗(yàn)器材

2.1 溫度傳感LM35DZ

在本次設(shè)計(jì)中采用溫度傳感器的型號(hào)是LM35DZ,它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、可隨意編程的優(yōu)點(diǎn)。溫度傳感器LM35DZ傳出的模擬信號(hào)是電壓和攝氏度,二者之間呈線性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)中從LM35DZ多種封裝形式中選出晶體TO-92式封裝,是一種塑封三極管,之所以被稱為三極管是因?yàn)樗腥齻€(gè)引腳,分別為VCC、模擬輸出、GND,其中GND代表的是地線或者是零線。晶體TO-92式封裝體積小,在安裝時(shí)只需將杜邦線和主板相連,所以具備安裝較靈活的特點(diǎn)。由于電壓與溫度呈線性關(guān)系,所以根據(jù)電壓就可以計(jì)算出溫度,二者之間的轉(zhuǎn)換公式為Vout(T)=10m)/℃×T℃,Vout代表的是電壓,T代表的是溫度。在配置中設(shè)置如下代碼:int val;int dat;va=analogRead(0);da=(125*val)>>8;這組代碼可以在溫度傳感器檢測(cè)到端口電壓值之后,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度。本次實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于各個(gè)化學(xué)教室、教學(xué)樓、學(xué)生宿舍。根據(jù)溫度傳感器的特性,各個(gè)室內(nèi)空間的溫度不宜過(guò)高,這樣只需測(cè)得的溫度達(dá)到60度即可判定發(fā)生火災(zāi)。溫度傳感器LM35DZ可監(jiān)測(cè)的溫度范圍是0℃~100℃,這是完全滿足實(shí)驗(yàn)需求的。就成本來(lái)看,溫度傳感器LM35DZ的價(jià)格只有幾元錢(qián),所以該選擇很合理。

2.2 煙霧傳感器MQ-2

除了溫度傳感器外,該設(shè)計(jì)還需要用到煙霧傳感器,煙霧傳感器的選擇要能夠?qū)瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的易燃物品、易爆物品、有毒氣體有所識(shí)別。所以該實(shí)驗(yàn)選擇MQ-2,MQ-2除了能夠感知以上危險(xiǎn)物品外,還能夠探測(cè)到氨氣和液化氣。它的構(gòu)件包括測(cè)量電極、微型陶瓷管、敏感層、加熱器。微型陶瓷管的材料是AL2O3,敏感層的材料是SnO2。MQ-2處于封裝好的情況下時(shí)有6個(gè)引腳,在使用前的電流加熱過(guò)程會(huì)用到兩個(gè)引腳,其余4個(gè)引腳的主要作用是輸出處理后的信息。MQ-2在工作時(shí)接入的電壓范圍要控制在0~24V,在使用前要給煙霧傳感器加熱,加熱的電壓要控制在5V左右,上下誤差不可超過(guò)0.2V,以防止內(nèi)部信號(hào)線由于電壓誤差過(guò)大而熔斷,進(jìn)而防止內(nèi)部元件損壞。煙霧傳感器MQ-2可檢測(cè)的煙霧濃度范圍是100-10000PPm。半導(dǎo)體氣敏元件的材料是SnO2,這種材料在空氣中電導(dǎo)率較低,使用壽命長(zhǎng),具有較強(qiáng)的耐腐蝕性,所以穩(wěn)定性也較強(qiáng)。另外氣體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是可逆的,而且反應(yīng)和恢復(fù)的時(shí)間較短,所以元件可長(zhǎng)時(shí)間多次使用。MQ-2構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)械性能較好,造價(jià)成本較低。當(dāng)空間中出現(xiàn)煙霧,SnO2就會(huì)受到影響,材料上的晶粒會(huì)發(fā)生變化,表面的導(dǎo)電率會(huì)隨著產(chǎn)生相應(yīng)變化。借助這一特點(diǎn),即可測(cè)得空間中是否出現(xiàn)煙霧,監(jiān)測(cè)火災(zāi)的發(fā)生。煙霧的濃度與導(dǎo)電率成正比,與電阻成反比,根據(jù)這一特點(diǎn)可以推斷煙霧的濃度,預(yù)測(cè)火情的大小。

3 安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),準(zhǔn)備的材料是開(kāi)發(fā)板,選擇的型號(hào)是CC2530,數(shù)量是3個(gè),分別安裝在3個(gè)節(jié)點(diǎn)上,三個(gè)節(jié)點(diǎn)的名稱分別為A、B、C。A為監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),B為中繼器,C為收集節(jié)點(diǎn)。B作為中繼器起到承接作用,將A監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給C,設(shè)置中繼器的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)增加傳輸距離,擴(kuò)大無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積,增加組網(wǎng)的靈活性。數(shù)據(jù)的傳輸靠平臺(tái)配置支撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行,各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)重新分配調(diào)度,改變組網(wǎng)的結(jié)構(gòu),滿足數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)距離長(zhǎng)短的需要。中繼器的安放位置和數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)的數(shù)量都可以適量增加,使得信息收集的更全面完整。A節(jié)點(diǎn)的作用是收集數(shù)據(jù),通過(guò)節(jié)點(diǎn)B傳輸給節(jié)點(diǎn)C,為了完成這一內(nèi)容,要對(duì)A進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)置,采用的編寫(xiě)語(yǔ)言是Basic,這種編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是相對(duì)于協(xié)議棧來(lái)說(shuō)編寫(xiě)過(guò)程比較簡(jiǎn)便輕巧,修改也較簡(jiǎn)單,在編寫(xiě)前將3塊模板連接到PC端,使用軟件IAR Embedded Workbench IDE打開(kāi)配置代碼,使用仿真器將源文件夾中的代碼轉(zhuǎn)移到A中,為了使信息準(zhǔn)確無(wú)誤,在轉(zhuǎn)移前要按下仿真器的復(fù)位按鈕。同樣的操作在B、C模板中也要進(jìn)行,經(jīng)過(guò)仿生之后,打開(kāi)軟件SSCOM3.2,選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào),將名稱改為A、B、C,并且保證波特率一致,均設(shè)置為115200。最后的目的是實(shí)現(xiàn)在A的端口輸入字符處輸入需要傳輸?shù)男畔?,?huì)經(jīng)過(guò)中繼器B傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)C上。

4 安全監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以前要對(duì)安裝好的ZigBee模塊進(jìn)行檢測(cè),確定溫度傳感器和煙霧傳感器的精度。例如在確定溫度傳感器精度時(shí),使用的設(shè)備器皿是燒杯、酒精燈、溫度計(jì),要準(zhǔn)備的材料是石棉網(wǎng)、純凈水、透明塑料薄膜。準(zhǔn)備透明塑料薄膜的目的是裹住溫度計(jì)和溫度傳感器,避免二者與外部環(huán)境直接接觸,避免接觸到水,避免水分損壞溫度傳感器。接著要搭建好加熱器材,將純凈水注入燒杯,溫度計(jì)校準(zhǔn)到零度,將裹著塑料薄膜的溫度計(jì)和溫度傳感器同時(shí)放入水中。然后在PC端前觀察溫度計(jì)和溫度傳感器顯示的溫度變化,當(dāng)檢測(cè)到溫度逐漸增加并且停留在22.7℃,過(guò)五分鐘之后,會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度停留在22.5℃,溫度計(jì)與溫度傳感器顯示的溫度一致,這時(shí)可以斷定溫度傳感器能夠正常使用,且精度滿足要求。

5 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將溫度傳感器和煙霧傳感器接到節(jié)點(diǎn)A,然后將節(jié)點(diǎn)A的設(shè)備放置在距離節(jié)點(diǎn)C的100米處,將B節(jié)點(diǎn)放置在二者中間,進(jìn)行這一操作的前提是保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常通信,接著將包裹著塑料透明薄膜的溫度計(jì)和溫度傳感器放入盛有純凈水的器皿中,點(diǎn)燃酒精燈進(jìn)行加熱,觀察蜂鳴器在不同的溫度條件下是否會(huì)報(bào)警,并詳細(xì)記錄。在進(jìn)行煙霧傳感的試驗(yàn)中,將煙霧傳感器和煙霧探測(cè)儀放入密閉的玻璃罩中,點(diǎn)燃蚊香,A節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)紺節(jié)點(diǎn),在C節(jié)點(diǎn)連接的PC端觀察,并記錄煙霧數(shù)據(jù)的變化情況。溫度傳感器的報(bào)警溫度設(shè)置是60℃,當(dāng)測(cè)得的溫度高于這一設(shè)置值時(shí),觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警,煙霧傳感器設(shè)置的濃度是100ppm,當(dāng)煙霧濃度達(dá)到這一設(shè)置值時(shí),蜂鳴器也開(kāi)始報(bào)警。由此可見(jiàn)ZigBee能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)校園的智能安全監(jiān)控。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)校設(shè)備的安全監(jiān)控,學(xué)校業(yè)務(wù)的安全監(jiān)控,幫助學(xué)校確立了規(guī)范的安全預(yù)警系統(tǒng),使得安全運(yùn)維人員能夠及時(shí)的接收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全預(yù)警通知,并做全面的報(bào)告統(tǒng)計(jì),為廣大師生提供了優(yōu)質(zhì)的安全服務(wù)。另外將ZigBee運(yùn)用在設(shè)備安全監(jiān)控中,幫助設(shè)備管理人員詳細(xì)記錄設(shè)備健康狀態(tài),梳理設(shè)備維護(hù)流程,確保學(xué)校運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

6 總結(jié)

綜上所述,基于ZigBee設(shè)計(jì)的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)能夠發(fā)揮很好的效果,值得應(yīng)用在校園安全監(jiān)控系統(tǒng)中,能夠大幅度減少校園安裝安防系統(tǒng)的成本,減少校園安全監(jiān)控的盲區(qū),在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中能夠及時(shí)反饋各個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的溫度情況、煙霧濃度情況。所以在智慧校園的統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)中,應(yīng)用ZigBee技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊業(yè)務(wù)核心內(nèi)容的抽取和重組,能夠組建更加智能化的運(yùn)維服務(wù)體系。

參考文獻(xiàn)

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