◆孫利國(guó)

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

◆孫利國(guó)

（長(zhǎng)春市農(nóng)業(yè)學(xué)校 吉林 130504）

校園安全一直是教育主管部門、校領(lǐng)導(dǎo)、家長(zhǎng)們重視的問題。近幾年來，由于消防設(shè)施不到位、安全意識(shí)不強(qiáng)等原因?qū)е滦@火災(zāi)事故頻頻發(fā)生。雖然現(xiàn)在學(xué)校有了基于有線通信的安防系統(tǒng)，且比較成熟，但是由于該安防系統(tǒng)維護(hù)成本高、靈活性較差等問題，使得該系統(tǒng)并不能很好地服務(wù)于校園安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感技術(shù)的出現(xiàn)，學(xué)校可以通過利用 ZigBee 無線通信技術(shù)對(duì)校園安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文將對(duì)基于ZigBee技術(shù)的智慧校園安全監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，為今后校園安全監(jiān)管提供一定的參考。

ZigBee；無線傳感技術(shù)；智慧校園；安全監(jiān)管系統(tǒng)

0 引言

目前大多數(shù)校園采用的均是基于有線通信技術(shù)的安全監(jiān)管系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)存在很多的局限性和漏洞，利用無線通信技術(shù)的安全監(jiān)管系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、延遲時(shí)間短、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用成熟并且完善的校園安全監(jiān)管系統(tǒng)是很有必要的。

1 什么是ZigBee及其主要構(gòu)成

ZigBee，又被稱為紫蜂協(xié)議，其名稱主要來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來和同伴相互傳遞花粉所在方位信息。ZigBee是近些年逐步發(fā)展起來的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議 的一種近距離、低能耗的無線通訊技術(shù)。

在2001年8月份時(shí)，ZigBee Alliance成立；在2004年時(shí)ZigBee V1.0出現(xiàn)，它是Zigbee第一個(gè)較為規(guī)范的版本；接下來的幾年里工作人員又陸續(xù)對(duì)Zigbee進(jìn)行了完善和改進(jìn)[1]。ZigBee協(xié)議能夠?qū)f(xié)議棧劃分為具有不同功能的區(qū)域，各協(xié)議棧之間相互合作，每個(gè)區(qū)域之間相互交流信息，保證了Zigbee協(xié)議棧準(zhǔn)確無誤地運(yùn)作。

2 主要實(shí)驗(yàn)器材介紹

2.1溫度傳感器LM35DZ

LM35DZ溫度傳感器不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本較低，同時(shí)能夠隨意編程，是本次試驗(yàn)所需要的器材之一[2]。通常情況下，LM35DZ輸出的電壓和攝氏溫度近似表現(xiàn)為線性關(guān)系。溫度傳感器LM35DZ的封裝形式有很多種，此次實(shí)驗(yàn)主要采用的是晶體TO-92式封裝，這種封裝形式主要結(jié)構(gòu)為塑封三極管的，三個(gè)引腳從左至右依次為VCC供電電壓（Volt Current Condenser）、模擬輸出和GND（電線接地端，代表地線或0線）。晶體TO-92式封裝具有體積小、安裝便利等優(yōu)點(diǎn)，僅僅將其和主板用杜邦線相連即可，且根據(jù)主板輸出的電壓值就能夠計(jì)算出溫度[3]。輸出電壓和溫度的轉(zhuǎn)換公式為：Vout(T)=10mv/℃×T℃，其中Vout是指輸出電壓，T是指溫度。溫度傳感器LM35DZ在接收到模擬端口電壓值后，會(huì)在在配置中實(shí)現(xiàn)以下代碼：

intval；intdat；

va=analogRead(0)；

da=(125*val)>>8；

此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是為了在學(xué)校的各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域運(yùn)用并完善基于溫度傳感器LM35DZ的安全監(jiān)管系統(tǒng)。通常情況下，若溫度達(dá)到60攝氏度時(shí)，系統(tǒng)就可以判斷此處已發(fā)生火災(zāi)。溫度傳感器 LM35DZ可以測(cè)試到的溫度范圍為0攝氏度至100攝氏度，因此，溫度傳感器 LM35DZ完全能夠勝任安全監(jiān)管的任務(wù)。

2.2煙霧傳感器 MQ-2

一般的煙霧傳感器不僅能夠識(shí)別出學(xué)校實(shí)驗(yàn)室常用的甲烷、酒精、氫氣等氣體，同時(shí)還能夠識(shí)別出煙霧或其他易燃易爆、有毒氣體，MQ-2除了能夠識(shí)別上述氣體外，還能夠識(shí)別出液化氣、氨氣等氣體。煙霧傳感器 MQ-2主要有四部分構(gòu)成，分別為：測(cè)量電極、SnO2敏感層、加熱器以及微型AL2O3陶瓷管。0-24V是MQ-2在正常運(yùn)作中可以借入的電壓范圍，但由于其運(yùn)作的特殊性，在每次使用前需要將其進(jìn)行加熱使接入的電壓控制在5±0.2V的范圍內(nèi)，否則有可能造成內(nèi)部信號(hào)線熔斷等問題。因此通常封裝好的MQ-2一共有六只引腳，其中的兩只引腳作用是將電流加熱，另外的四只引腳作用主要是將處理后的信號(hào)取出。

3 安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

此次實(shí)驗(yàn)我們共準(zhǔn)備三個(gè)CC2530開發(fā)板，將其分別命名為A、B、C，作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，將A點(diǎn)設(shè)置為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)；將B點(diǎn)設(shè)置為中繼器；將C點(diǎn)設(shè)置為收集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。三個(gè)節(jié)點(diǎn)各自分工，相互傳遞信息。B點(diǎn)作為中繼器是將A點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給C點(diǎn)。上述設(shè)置節(jié)點(diǎn)的方式不僅能夠隨時(shí)增加節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大無線局域網(wǎng)的范圍、增加傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠大大增強(qiáng)安全監(jiān)管系統(tǒng)的靈活性。在實(shí)踐操作中通常會(huì)根據(jù)信息傳輸?shù)木嚯x以及節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的需要，合理安排中繼器的數(shù)量和位置，這樣能夠使信息的收集更加便捷，結(jié)果更加完善。如在其他區(qū)域位置設(shè)置新的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，這樣不僅能夠低成本的增加安全監(jiān)管系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍，同時(shí)也便于故障的維修，僅需對(duì)出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)維修即可，后期方便維修且維修成本低。

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

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)安裝好ZigBee模塊并將終端程序進(jìn)行調(diào)試，在準(zhǔn)備進(jìn)行煙感和溫感的監(jiān)控測(cè)試時(shí)，應(yīng)首先測(cè)試和調(diào)控?zé)熿F傳感器及溫度傳感器的精確度。例如溫度傳感器的調(diào)試：首先，準(zhǔn)備好所需要的實(shí)驗(yàn)器材，如燒杯、酒精燈、溫度計(jì)（溫度計(jì)需校準(zhǔn)到零度）、石棉網(wǎng)、透明塑料薄膜、玻璃罩、純凈水等，為了避免溫度傳感器和水的直接接觸，將溫度傳感器和溫度計(jì)的外部用透明塑料薄膜進(jìn)行包裹保護(hù)；其次，搭建好加熱器材并向燒杯中注入純凈水，將裹有透明塑料薄膜的溫度傳感器及溫度計(jì)同時(shí)放入到水中；最后，觀察溫度傳感器和溫度計(jì)顯示的溫度，在電腦上觀察到溫度傳感器檢測(cè)到的溫度為20.7℃，5分鐘后觀察溫度計(jì)度數(shù)為20.5℃左右，根據(jù)結(jié)果可以判斷出該溫度傳感器的準(zhǔn)確度較高。

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

第一，先確認(rèn)A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常通信，將溫度傳感器與煙霧傳感器接入到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)A中，將A節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)放置在相距200米的位置，將B節(jié)點(diǎn)放置在A、C節(jié)點(diǎn)中間的位置；第二，將裝有純凈水的燒杯進(jìn)行加熱，同時(shí)將裹有透明塑料薄膜的溫度傳感器及溫度計(jì)放入燒杯中，記錄不同溫度時(shí)蜂鳴器的反映情況；第三，將煙霧傳感器和煙霧探測(cè)儀放入到密閉的玻璃罩內(nèi)并點(diǎn)燃蚊香，記錄煙霧濃度不同時(shí)蜂鳴器的反映情況；最后我們觀測(cè)到當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)的溫度達(dá)到60℃時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警[3-4]。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到的煙霧濃度達(dá)到100ppm時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警。

6 總結(jié)

基于ZigBee技術(shù)的安全監(jiān)管系統(tǒng)利用了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和無線局域網(wǎng)的快捷便利，有著維修成本低、反饋信息及時(shí)、靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。在本次安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，ZigBee安全監(jiān)管系統(tǒng)有著良好的表現(xiàn)，在反饋和傳輸監(jiān)控信息時(shí)快捷、便利、準(zhǔn)確程度高。由此可見，基于ZigBee技術(shù)的安全監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控校園各個(gè)區(qū)域的安全狀況，保障校園環(huán)境的安全，在未來智慧校園的發(fā)展中能發(fā)揮巨大的作用。

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