孔帥 張亞軍

摘 要：隨著全民性的健身運(yùn)動(dòng)迅速在全國普及，體育場館安全環(huán)境的監(jiān)測與建設(shè)引起了體育科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的共同關(guān)注。本文提出一種基于ZigBee協(xié)議的體育場館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過溫度、濕度、煙霧、CO2等傳感器結(jié)合ZigBee網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及處理、信息發(fā)送提醒等服務(wù)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于體育場館等健身場所不僅可以更大程度保證健身群體的身心健康，也能使健身中心的管理更加高效、安全、便捷，解決傳統(tǒng)管理方式存在的缺陷，從而為場館管理提供科學(xué)決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測；ZigBee；傳感器；數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)；AT

中圖分類號：TP274；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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年北京夏季奧運(yùn)會(huì)的成功舉辦，推進(jìn)我國全民體育事業(yè)的大發(fā)展，全民健身運(yùn)動(dòng)成為與奧運(yùn)爭光并重的國家戰(zhàn)略。2017年全國運(yùn)動(dòng)會(huì)在天津的順利舉辦，更加促進(jìn)了天津體育事業(yè)的發(fā)展。天津作為直轄市之一，也積極倡導(dǎo)全民健身，全民體育事業(yè)蓬勃發(fā)展。天津市政府也高度重視體育場館建設(shè)，積極倡導(dǎo)體育場館和高校體育場所對社會(huì)大眾開放。隨著全民健身的開展，公共體育場館“環(huán)境安全”問題也日益突出。

廣義的場館環(huán)境安全是指體育比賽、體育健身使用的運(yùn)動(dòng)場、館內(nèi)的空氣環(huán)境（有害空氣）、裝備、維護(hù)工具器材表面微生物（致病種類）含量對使用人員的健康安全的影響。影響體育運(yùn)動(dòng)環(huán)境的因素很多，包括大氣環(huán)境，有害空氣，微生物種類和含量等。由于條件有限，我們本次研究的重點(diǎn)在于室內(nèi)環(huán)境的檢驗(yàn)檢測。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的方法主要分為三種：氣體耗氧量法、化學(xué)分析法和傳感器檢測法。本文采用傳感器的方法來收集場館的溫度、濕度、二氧化碳的濃度等信息。

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠?qū)ρ鯕狻⒍趸?、溫度、濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并且采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的檢測儀器（國家質(zhì)檢總局）在相同的位置測試并記載數(shù)據(jù)，和傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件對傳感器得來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其更加準(zhǔn)確有效。對報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行屏幕提醒，并發(fā)送到管理者預(yù)設(shè)的手機(jī)上。提醒場館管理者注意室內(nèi)空氣質(zhì)量的變化，以便采取通風(fēng)、開啟空調(diào)等操作，以保障空氣質(zhì)量。

1 系統(tǒng)平臺總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和要求

根據(jù)前期體育場館的業(yè)務(wù)調(diào)研，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：

每隔10分鐘就采集一次所有位置的溫濕度、CO2數(shù)據(jù)。

為方便以后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)應(yīng)至少保存兩年，如果偶然丟失某次采樣數(shù)據(jù)，也可以接受。

本系統(tǒng)將取代原有的手工取樣的監(jiān)控方法，因?yàn)轶w育場館都比較大、挑高高度高，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)方案并不適用。

采集后的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)向PC機(jī)器傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

考慮到各種傳感器的誤差，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

考慮到采集點(diǎn)的安裝方便性和使用的長期性，終端建議使用電池供電，電池工作時(shí)間最少為一年。

根據(jù)場館的空氣數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)提醒報(bào)警功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由采集模塊、接收處理模塊和分析模塊三大部分組成。采集模塊主要完成氧氣和二氧化碳濃度、溫度和濕度的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至接收模塊。系統(tǒng)通過傳感器來實(shí)時(shí)采集分布在體育館各處的溫濕度、二氧化碳濃度等信息，借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)將收集的信息通過ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送到PC網(wǎng)絡(luò)。

接收處理模塊是系統(tǒng)的主要模塊，主要用于接收采集模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行暫存、報(bào)警等操作，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至分析模塊，當(dāng)發(fā)出報(bào)警信息的同時(shí)，手動(dòng)開啟通風(fēng)設(shè)備或空調(diào)設(shè)備。

分析模塊主要完成對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析任務(wù)，并控制顯示屏顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.3 本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)屬于較典型的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要包括3個(gè)部分：匯聚網(wǎng)，接入網(wǎng)和承載網(wǎng)。匯聚網(wǎng)主要采用短距離通信技術(shù)，如ZigBee、藍(lán)牙、紅外線以及私有協(xié)議（如SimpliciTI）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小范圍的感知數(shù)據(jù)的匯聚。接入網(wǎng)主要采用M2M及全I(xiàn)P融合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)從匯聚網(wǎng)到承載網(wǎng)的接入。承載網(wǎng)主要是指各種核心承載網(wǎng)絡(luò)，如常用的GSM，3G/4G，WLAN，IP網(wǎng)絡(luò)等。

802.15.4、ZigBee和SimpliciTI等低功耗無線協(xié)議都能比較好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性與簡便易用性的平衡，其提供的完整協(xié)議架構(gòu)，便于技術(shù)方案的實(shí)施。協(xié)議特性與簡便易用性相平衡是我們要考慮的一個(gè)重要選擇標(biāo)準(zhǔn)，基于協(xié)議的開放性和廣泛性，我們選擇使用支持ZigBee協(xié)議的系統(tǒng)架構(gòu)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)還具有組網(wǎng)速度快、網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

本方案采用的是支持ZigBee協(xié)議的cc2530單片機(jī)，采集監(jiān)測模塊放置在場館里，支持ZigBee協(xié)議組網(wǎng)。采集模塊和支持ZigBee的網(wǎng)關(guān)通過ZigBee協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備組成。其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器能夠建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息，是網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器主要作用在于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展功能，能夠連接終端設(shè)備和中心節(jié)點(diǎn)。

我們選用的ZigBee協(xié)議的網(wǎng)關(guān)NLE-PE9000，支持ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議，支持WiFi接口或者以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)線或者無線網(wǎng)絡(luò)連接到PC網(wǎng)絡(luò)。我們將ZigBee無線協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議；此網(wǎng)關(guān)功能強(qiáng)大，方便開發(fā)使用。

將網(wǎng)關(guān)連接至普通的交換機(jī)或路由器（注意此路由器是普通家庭上網(wǎng)用的路由器，不是ZigBee概念中的路由器），即可將ZigBee系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，方便管理者遠(yuǎn)程查看、監(jiān)控場館環(huán)境。

1.4 系統(tǒng)硬件軟件方案

空氣溫濕度傳感器采用高精度兩線串口數(shù)字溫濕度傳感器，溫度值輸出分辨率為12位，濕度值輸出分辨率為14位。傳感器電源電壓范圍2.4～5.5V。測量時(shí)電流消耗約為550μA，平均28μA，休眠時(shí)為3μA。節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置為定時(shí)采集，采集完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)，可進(jìn)一步降低功耗。

CO2傳感器光敏探頭功率比較低，不到50mW，供電電壓不到5V。即可以通過兩線串口，讀取溫濕度數(shù)據(jù)，通過AD間接讀取光照數(shù)據(jù)?；蛘咄ㄟ^ZigBee組網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)均可以通過COM口進(jìn)行燒制。

網(wǎng)關(guān)型號為新大陸的NLE-PE9000，本網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持WiFi、RS485、以太網(wǎng)、ZigBee、USB、RFID、藍(lán)牙等通訊功能，支持電容觸摸屏，使用電源電壓為12V。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的底部有Debug調(diào)試口、485接口、電源按鍵、CAN口。其中調(diào)試口可用專門的調(diào)試線將網(wǎng)關(guān)連接到電腦端進(jìn)行調(diào)試；485接口使用專門的網(wǎng)關(guān)連接線連接ADAM4150/4017數(shù)據(jù)采集模塊，從而獲取有線傳感數(shù)值；CAN（控制器局域網(wǎng)總線）遵守CAN總線協(xié)議，是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線。在以太網(wǎng)設(shè)置中，可以設(shè)置網(wǎng)關(guān)連接云平臺的通訊IP及端口，負(fù)責(zé)和上位機(jī)進(jìn)行通訊。通過USB口或以太網(wǎng)口對網(wǎng)關(guān)程序進(jìn)行燒制。

我們采用的短信模塊為RDT-S400模塊，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，采用工業(yè)級高性能GSM收發(fā)模塊，發(fā)射功率為2W，串口速率1200至115200bps可調(diào)，采用標(biāo)準(zhǔn)直流12V電源供電，和管理服務(wù)器相連接，工作溫度適應(yīng)范圍廣。我們使用的AT（AttenTIon）指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在市場上大多數(shù)手機(jī)均支持GSM7.05規(guī)定的AT指令集。GSM通信短信模塊通過AT命令來進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用短消息方式。一般的GSM模塊都支持AT指令，因此計(jì)算機(jī)或單片機(jī)可以通過串口直接向GSM模塊發(fā)送AT指令，來方便地實(shí)現(xiàn)短信息SMS的發(fā)送、接收和管理。

2 系統(tǒng)運(yùn)行主要過程

首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，采集傳感器節(jié)點(diǎn)，而后燒制程序，每隔10分鐘需要上傳數(shù)據(jù)。上電后先進(jìn)行主動(dòng)掃描，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后申請加入，成功入網(wǎng)后將被分配短地址，然后向父節(jié)點(diǎn)發(fā)起綁定請求，成功后定時(shí)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，發(fā)送完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，定時(shí)，時(shí)間到再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送。

對于采集完成的數(shù)據(jù)，我們需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。由于不同的傳感器和測試儀器是基于不同的物理方法的，所以測試得到的數(shù)據(jù)存在差異。如在測試溫度的時(shí)候，我們在同一個(gè)點(diǎn)分別用傳感器、Fluke 724溫度校準(zhǔn)器等設(shè)備進(jìn)行取樣測試，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。我們利用得到的不同溫度下的誤差補(bǔ)償，進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，得到比較真實(shí)準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)處理的方法與此類似。

上位機(jī)需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集存儲(chǔ)。上位機(jī)還需要對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，確認(rèn)傳感器終端是否在線，還需要對終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正計(jì)算。體育場館的環(huán)境信息通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器端，由數(shù)據(jù)處理主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，包含顯示環(huán)境狀態(tài)模塊、人機(jī)交互設(shè)置模塊、報(bào)警輸出模塊和聯(lián)動(dòng)控制模塊。當(dāng)對體育場館的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí)，如果空氣中的溫、濕度過高，CO2等有害氣體含量過高，就可以通知管理人員打開窗戶，或啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)處理，保證室內(nèi)空氣的流通；另外，體院場館的所有異常狀態(tài)都將輸出布置在場館內(nèi)的LED顯示屏或電視墻上，從而多角度保護(hù)體育場館使用人群的身心安全。

3 結(jié) 語

本文利用無線傳感器、通訊網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合體育場館綜合布線比較困難的實(shí)際情況，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)低碼流傳輸效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、CO2數(shù)據(jù)的采集、處理等工作。充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交互，為體育場館的環(huán)境監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)。結(jié)合數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化，該系統(tǒng)在測量時(shí)具有精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為場館環(huán)境監(jiān)測、處理提供科學(xué)依據(jù)。

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作者簡介：孔帥（1977.03-），男，漢族，山東平邑人，就職于天津職業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息管理管理中心，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理，物聯(lián)網(wǎng)研究等；張亞軍（1977-），男，漢族，內(nèi)蒙古人，就職于天津職業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)等。