陳旭東

（閩南理工學(xué)院 實踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700）

高校實驗室是師生開展專業(yè)實踐的重要場所，安全管理尤為重要，環(huán)境監(jiān)測是安全管理的重要一環(huán)，監(jiān)測系統(tǒng)是否高效、可靠運行將直接影響實驗實訓(xùn)的順利開展［1-4］．隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測必須摒棄傳統(tǒng)方式，運用先進技術(shù)提高管理效率，保障實驗實訓(xùn)安全運行．前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實驗實訓(xùn)場地本身設(shè)備種類繁多，配電及各類信號傳輸線占用較多，因此環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，需滿足高可靠性、靈活布局、低成本、低功耗等前提要求，不宜大量布線及占用配電資源．與現(xiàn)有成熟的倉儲、酒店、火車站等使用場景的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相比，實驗室監(jiān)測系統(tǒng)具有可變動性及靈活性的特點，系統(tǒng)搭建完成后，監(jiān)測位置及監(jiān)測節(jié)點數(shù)量需要根據(jù)實驗室開課需要進行變動．在環(huán)境監(jiān)測實踐中，相關(guān)技術(shù)在其他設(shè)計系統(tǒng)中已有所運用．比如利用ZigBee與WiFi技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及互聯(lián)網(wǎng)傳輸，但WiFi系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜無法實現(xiàn)低功耗及低成本［5-7］；也有直接利用NB-IoT模塊作為環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點，實現(xiàn)低功耗且靈活的遠程監(jiān)測，但NB-IoT模塊作為節(jié)點成本過高，特別是遇到要監(jiān)測多個實驗實訓(xùn)場地的時候，需要大量的節(jié)點，無法實現(xiàn)低成本．各類無線網(wǎng)關(guān)對比如表1所示，綜合對比成本、通信距離和傳輸速率.作為遠程監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)模塊，NB-IoT具備比較大的優(yōu)勢.基于實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測的實際需求，采用ZigBee模塊作為數(shù)據(jù)采集結(jié)點及終端設(shè)備控制節(jié)點，同時設(shè)計ZigBee協(xié)調(diào)器實現(xiàn)與各個節(jié)點快速組網(wǎng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)及下發(fā)控制指令，ZigBee協(xié)調(diào)器只需借助一個NB-IoT模塊作為網(wǎng)關(guān)與IoT云平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)遠程監(jiān)測及終端設(shè)備控制，滿足低功耗、低成本的實際需求．

表1 各類無線網(wǎng)關(guān)對比

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

以提升實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測效率為目的，設(shè)計基于NB-IoT和ZigBee的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含傳感及控制模塊、集中模塊、云平臺和應(yīng)用模塊四大部分（圖1）．傳感及控制模塊負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及功能控制，傳感器包括煙霧、溫度及濕度，控制器包括噴淋器及風(fēng)扇，ZigBee節(jié)點包括單片機系統(tǒng)電路、電池供電電路及外圍接口電路［8-9］．集中模塊負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集及上傳，設(shè)置一個ZigBee節(jié)點作為ZigBee協(xié)調(diào)器，完成ZigBee自組網(wǎng)內(nèi)各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的收集和命令下發(fā)；NB-IoT模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器進行串口通信，作為ZigBee自組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，負責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺及控制命令接收.云平臺采用中國移動OneNET云平臺，完成數(shù)據(jù)的存儲及管理.應(yīng)用模塊采用WEB架構(gòu)，基于OneNET平臺提供的API及開發(fā)工具，搭建應(yīng)用終端，實現(xiàn)遠程查看監(jiān)測數(shù)據(jù)及遠程控制［10-11］．

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由傳感及控制模塊、集中模塊兩部分組成.ZigBee傳輸使用2.4 GHz通用頻段，在自組網(wǎng)10～100 m的范圍內(nèi)，根據(jù)實際監(jiān)測點需要可設(shè)置多個傳感及控制模塊，系統(tǒng)只需設(shè)置一個集中模塊，降低了網(wǎng)關(guān)設(shè)計成本．

2.1 傳感及控制模塊

傳感及控制模塊包括ZigBee節(jié)點、傳感器和控制器三大部分（圖2）．

圖2 傳感及控制模塊硬件連接

ZigBee節(jié)點采用TI公司生產(chǎn)的CC2530單片機作為主控芯片，模塊實物及單片機主要功能IO口設(shè)計（圖3）．ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)包括單片機主控板、供電電路（采用3.3 V電池供電）和外圍電路擴展板，完成傳感器驅(qū)動、控制器驅(qū)動及無線射頻驅(qū)動三大部分內(nèi)容．

圖3 CC2530單片機模塊

溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其具有已校準的數(shù)字信號輸出，濕度量程5～95%RH，溫度量程-20～60℃，其靈敏性及可靠性滿足實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測要求．CC2530單片機使用IO口P0_7作為數(shù)字信號接收口，單片機需對接收的溫濕度信息進行字符串轉(zhuǎn)換，利用變量temp和humidity存儲溫濕度信息用于OLED顯示及單片機邏輯控制條件，關(guān)鍵功能通過以下代碼實現(xiàn)：

DHT11（）；//獲取溫濕度

//將溫濕度的轉(zhuǎn)換成字符串

temp［0］=wendu_shi+0x30；

temp［1］=wendu_ge+0x30；

humidity［0］=shidu_shi+0x30；

humidity［1］=shidu_ge+0x30；

煙霧傳感器有可靠性及靈敏度要求，MQ-2煙霧傳感器可適配，其測量范圍較寬，可達到15 000 ppm．傳感器的導(dǎo)電率隨環(huán)境中氣體濃度增大而增大，其模擬輸出電壓也加大CC2530單片機使用P0_6口作為模擬量輸入口獲得輸入電壓并進行AD轉(zhuǎn)換，與傳感器量程進行相應(yīng)的比例運算可以計算出環(huán)境濃度值（以測量最大值20 000 ppm計算，輸入電壓Vin表示，參考電壓VRef表示）：

控制器主要由風(fēng)扇及噴淋設(shè)備組成，當實驗實訓(xùn)室溫濕度過高時可以自動或者手動開啟風(fēng)扇進行降溫除濕.當煙霧傳感器監(jiān)測到室內(nèi)煙霧濃度過高時，則需要向協(xié)調(diào)器發(fā)送警報信號，進而手動或者自動開啟噴淋設(shè)備．對風(fēng)扇及噴淋設(shè)備的控制需使用兩組繼電器，單片機分別使用P1_0、P1_1兩個IO口對繼電器進行控制，采用低電平驅(qū)動，繼電器常開觸點進而控制功能設(shè)備高電壓線路通斷，驅(qū)動電路（圖4）．

圖4 繼電器驅(qū)動電路

2.2 集中模塊

集中模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器和NB-IoT節(jié)點兩部分組成，硬件連接如圖5．ZigBee協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)與其他ZigBee節(jié)點一樣，完成ZigBee自組網(wǎng)的創(chuàng)建及組網(wǎng)管理，集中來自不同ZigBee監(jiān)測節(jié)點的信息，包括溫濕度、煙霧量、電池電量和報警信息等，最后通過串口傳輸給NB-IoT節(jié)點．

圖5 集中模塊硬件連接

NB-IoT節(jié)點采用上海移遠公司的BC28模組（圖6），協(xié)調(diào)器CC2530使用串口1（P0_4、P0_5）與NBIoT節(jié)點進行串口通信，實現(xiàn)發(fā)送AT指令或接收控制信息.

圖6 BC28模組

由于CC2530的串口電壓3.3 V與BC28的1.8 V不匹配，所以需要先進行串口電平轉(zhuǎn)換后才可以連接通信，串口轉(zhuǎn)換電路（圖7）．考慮功耗控制要求，CC2530使用P1_2口對BC28的開啟及休眠進行控制．

圖7 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制ZigBee自組網(wǎng)以及控制ZigBee協(xié)調(diào)器與NB-IoT節(jié)點之間的通信需要進行合理的軟件設(shè)計，主要包括傳感及控制模塊程序設(shè)計、集中模塊程序設(shè)計及耗能控制．

3.1 傳感及控制模塊程序設(shè)計

為了滿足監(jiān)測節(jié)點功耗控制要求，在保證ZigBee各節(jié)點快速組網(wǎng)并能實時傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入系統(tǒng)節(jié)點休眠及喚醒機制，即各監(jiān)測節(jié)點由ZigBee協(xié)調(diào)器進行休眠及喚醒控制．監(jiān)測節(jié)點初始化后會立即搜尋ZigBee信道并請求入網(wǎng)，組網(wǎng)成功后除了將獲取的傳感器數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器之外，每個實驗室的監(jiān)測節(jié)點還會將自己的位置標記信息一并發(fā)送，協(xié)調(diào)器根據(jù)接收的標記信息區(qū)分不同實驗室房間數(shù)據(jù)，傳輸成功后監(jiān)測節(jié)點獲得休眠指令即可進入休眠模式，有效做到能耗控制（圖8）．

圖8 傳感及控制模塊程序設(shè)計

3.2 集中模塊程序設(shè)計

集中模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器和NB-IoT節(jié)點組成.ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等各監(jiān)測節(jié)點成功連接進入自組網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器即可接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)并通過串口傳輸給BC28節(jié)點，以BC28節(jié)點為網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺．等數(shù)據(jù)傳輸完畢，ZigBee協(xié)調(diào)器立即向各監(jiān)測節(jié)點及BC28節(jié)點同時廣播休眠指令，此時系統(tǒng)立即進入休眠模式.為保證設(shè)備同步性，各節(jié)點必須設(shè)置相同的休眠定時器（圖9）．

圖9 集中模塊程序設(shè)計

3.3 耗能控制

傳感及控制模塊及集中模塊節(jié)點均采用電池供電，提高了環(huán)境監(jiān)測布局的靈活性，降低了應(yīng)用成本，但對電池耗能控制的要求更加嚴格.CC2530模組及BC28模組的主要耗能在射頻模式下，即發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，在休眠及待機模式下的耗能極低（表2）．根據(jù)表2數(shù)據(jù)，休眠狀態(tài)下相比發(fā)送及接收的耗能明顯降低，故通過軟件設(shè)計延長休眠時間是控制功耗的有效方法，一個周期內(nèi)的耗能用C1表示，節(jié)點電池總電量用C總表示，電池可使用次數(shù)用N表示，相關(guān)計算方法為：

表2 BC28和CC2530節(jié)點能耗表

由此可見，通過控制單周期內(nèi)的發(fā)送及接收能耗即可大幅度增加電池使用次數(shù).降低能耗的同時要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性，所以軟件設(shè)計需要根據(jù)使用場所的不同監(jiān)測需要，經(jīng)過多次調(diào)試以確定合理的休眠和喚醒時間.

4 云平臺設(shè)計

云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示及控制命令發(fā)送，系統(tǒng)采用OneNET云平臺．OneNET云平臺提供了豐富的API和各類應(yīng)用開發(fā)模板，能快速接入各類傳感器及智能硬件，其友好的開發(fā)環(huán)境及支持多協(xié)議接入讓智能應(yīng)用開發(fā)變得簡單.平臺采用Web架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境提供了必須的界面搭建元素，數(shù)據(jù)綁定簡潔直觀，控制臺可以自動生成Web應(yīng)用鏈接，利用瀏覽器或OneNET手機端APP可以方便實現(xiàn)遠程監(jiān)測及控制．

4.1 數(shù)據(jù)管理

云平臺數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)Web應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互及分析處理.云平臺是連接Web應(yīng)用和底層傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁，云平臺接收并存儲來自傳感網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)并為Web應(yīng)用開發(fā)提供API.由于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)重于數(shù)據(jù)實時處理，無需龐大的歷史數(shù)據(jù)存儲量，故系統(tǒng)使用OneNET平臺自帶數(shù)據(jù)庫而無需另外搭建數(shù)據(jù)庫，平臺設(shè)備接入方式選擇NB-IoT方式系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理流程（圖10）．

圖10 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

4.2 防誤報機制

為保障系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性，引入防誤報機制（圖11）．監(jiān)測點傳感器由于信號干擾或者傳輸錯誤可能出現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)偏差，防誤報設(shè)計思路是若一個監(jiān)測點上傳數(shù)據(jù)超過閾值，數(shù)據(jù)平臺不會立刻做出警報及控制終端設(shè)備驅(qū)動，而是先下發(fā)指令再次讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)若再次超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)即可做出報警處置并驅(qū)動控制終端設(shè)備運行，否則系統(tǒng)就會忽略本次警報，提高了系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，避免因誤報造成損失．

圖11 系統(tǒng)防誤報機制

4.3 應(yīng)用設(shè)計

利用OneNET云平臺的應(yīng)用管理功能可快速搭建Web應(yīng)用．工作臺提供數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及調(diào)用，不同類型控件可綁定對應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)源，控件包括顯示類（曲線、儀表、圖片等）和控制類（開關(guān)、旋鈕、命令框等），控件狀態(tài)與數(shù)據(jù)源對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)一對一或多對一．應(yīng)用界面設(shè)計效果（圖12），界面設(shè)計包括三部分：閾值設(shè)置及報警標志、數(shù)據(jù)顯示折線圖、設(shè)備及工作模式控制.在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要設(shè)定其他功能設(shè)備的控制按鈕．

圖12 應(yīng)用界面設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計自動模式及手動模式兩種工作狀態(tài).在自動模式下，當監(jiān)測數(shù)據(jù)如溫度、濕度或煙霧濃度超過閾值，系統(tǒng)確認無誤報產(chǎn)生報警標志，并自動驅(qū)動功能繼電器動作，進而讓噴淋設(shè)備或風(fēng)扇等功能設(shè)備啟動；在手動模式下，當監(jiān)測數(shù)據(jù)如溫度、濕度或煙霧濃度超過閾值，系統(tǒng)確認無誤報后同樣會產(chǎn)生報警標志，但功能繼電器的驅(qū)動需要值守人員根據(jù)需要手動控制開啟.在手動模式下，若監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有超過閾值，也可根據(jù)需要手動啟停功能設(shè)備．

5 系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)測試主要驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，重點對比監(jiān)測數(shù)據(jù)跟標準儀器測試數(shù)值是否一致，是否會產(chǎn)生誤報，檢驗噴淋設(shè)備、風(fēng)扇等功能設(shè)備能否有效控制．除此之外，還需檢驗系統(tǒng)能耗是否符合低功耗要求以及能否降低后期系統(tǒng)維護成本．系統(tǒng)測試采用實驗驗證方式，用2個ZigBee節(jié)點模塊作為傳感及控制模塊，用1個ZigBee節(jié)點模塊作為協(xié)調(diào)器，用1個NBIoT模塊作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備.NB-IoT模塊無線通信流量使用中國移動物聯(lián)網(wǎng)專用卡進行測試．每個監(jiān)測點的噴淋設(shè)備及風(fēng)扇的驅(qū)動使用兩組繼電器模塊進行驅(qū)動實驗，繼電器采用直流5 V電壓供電，線圈低電平驅(qū)動控制，繼電器動作情況可使用萬用表測量常開觸點狀態(tài)或外接LED燈控制電路進行模擬展示．

兩個監(jiān)測節(jié)點分別監(jiān)測相鄰兩個實驗室數(shù)據(jù)，程序設(shè)計中位置標記分別設(shè)定為“ZD1”和“ZD2”，協(xié)調(diào)器根據(jù)位置標記對數(shù)據(jù)進行不同房間區(qū)分．

5.1 可靠性分析

系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)結(jié)果從應(yīng)用終端讀取并記錄兩個監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)（表3），從9：00至19：00每隔2小時記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分為溫度值、濕度值、煙霧濃度值等幾類，每項數(shù)據(jù)均與標準儀器作比較，測試數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的誤差值在2%以內(nèi)．在報警測試中，溫度報警及濕度報警分別采用人為加熱煙熏和加濕的方法模擬環(huán)境數(shù)據(jù)超標，報警結(jié)果符合預(yù)期，無出現(xiàn)誤報情況，自動模式下及手動模式下驅(qū)動功能繼電器正常.綜合測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可靠性符合設(shè)計預(yù)期．

表3 系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)（ZD1/ZD2）

5.2 低功耗分析

系統(tǒng)主要對監(jiān)測節(jié)點進行電源節(jié)能設(shè)計.監(jiān)測節(jié)點通過使用CC2530內(nèi)部ADC通道測量電池電量，測量結(jié)果隨環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)一并上傳到云平臺數(shù)據(jù)庫.NB-IoT節(jié)點采用外部ADC通道測量電池電量，實驗過程可采取電池供電，也可以使用穩(wěn)壓電源供電．實驗對監(jiān)測節(jié)點電量進行記錄分析，由表3電池電量數(shù)據(jù)繪制的電池電量消耗（圖13），分析監(jiān)測節(jié)點（ZD1）電量消耗為1.8%，監(jiān)測節(jié)點（ZD2）電量消耗為1.7%，符合低功耗設(shè)計預(yù)期．

圖13 電池電量消耗

6 結(jié)論

NB-IoT和ZigBee技術(shù)融合下的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，把ZigBee快速自組網(wǎng)的優(yōu)勢跟NB-IoT的高效遠程透傳能力相結(jié)合，應(yīng)用到實驗實訓(xùn)環(huán)境監(jiān)測中，實現(xiàn)對實驗室溫度、濕度、煙霧濃度的實時監(jiān)測，同時能對噴淋設(shè)備及風(fēng)扇等功能設(shè)備進行遠程操控．一個中小規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)只需定期向電信運營商繳納一個NB-IoT網(wǎng)關(guān)模塊的流量費用而不需要其他費用，后期運維成本大幅降低，此外系統(tǒng)的低功耗設(shè)計及防誤報機制也極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景．