基于Zigbee的室内环境监测系统设计研究

汪雷

摘 要：建筑物具有房间多、范围广的特点。为了方便用户能够直观的了解室内环境信息，系统设计了地图管理模块。环境监测系统由监测中心和传感器网络组成，传感器采集室内环境的信息通过无线的方式把数据发送到终端节点，终端节点通过串口把数据传送至监控中心，再进行数据的分析。给出了系统的功能设计，数据库设计，软件设计。

关键词：无线传感器；监控系统；数据库

中图分类号：X830.7 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2018）02-0014-06

随着我国的经济发展和科学技术水平的提高，人们对于学习、生活环境的安全性、舒适性要求日益增长，尤其是对室内环境质量的更是严格。在日常生活中，通常要求一个温度适宜的环境。因此，有必要了解室内的实时温度、湿度、煤气的浓度，以便于进行一定调节。从而减少由于环境因素的超标对人体造成的伤害。传统的室内环境监控系统所需的设备较多，布线复杂，可靠性低，抗干扰能力差，日常管理和维护的费用高。物联网技术可以解决这个问题。

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。ZigBee 技术是物联网的核心技术之一，是近年来发展起来的一种近距离无线通信技术。ZigBee 技术以其低功耗、易组网、低成本、短时延、高容量、高安全等优点在智能家居应用中受到广泛关注。基于此本文设计了运用ZigBee技术的监测系统。

1 系统框架

整个系统由监控中心和Zigbee传感器网络组成如图1所示，ZigBee 网络通常由三个节点构成： 协调器（ Coordinator）节点、路由器 （ Router）节点、传感器（ End Device）节点。[1]协调器节点是整个网络的核心，负责网络的启动、配置和管理。路由器节点负责数据的收发和处理。传感器节点实现了环境信息的感知和收集然后通过路由节点以多跳的方式将数据发送给协调器节点，ZigBee 协调器 在系统中起通信媒介的作用，主要负责控制中心與各子系统之间的通信，负责将数据上报给监测中心。[2]监测中心就是一台PC机，用来显示、分析检测到的数据。本文主要讨论数据的采集和分析。

系统以学校的教学楼为对象，根据实际需求，对于监控系统有如下要求：系统的权限分为管理员和普通用户。

（1）监测系统能够实时的、可靠地显示当前室内的环境信息。管理员和普通用户在PC机上都能够实时的看到数据、查询历史数据。数据可以通过表格、趋势图的形式呈现给用户。

（2）管理员能够在PC机上设定参数，当检测到的数据高于这个设定的参数，能够报警提醒用户，以便用户采取相应的措施。

（3）管理员可以在系统中管理传感器节点和地图，调节传感器在相应地图中的位置，以便用户根据地图就能知道实际在地图中相应位置的参数。

（4）管理员能够实现对于系统的日常维护，包括数据的删除、修改和备份。 根据上述要求，系统分成六个模块，如图2所示，即用户管理模块，数据采集模块，系统设置模块，数据库模块、数据库管理模块、报警模块。下面对六个模块进行详细设计。

2 详细设计

2.1 用户管理模块

系统的权限分为普通用户和管理员。模块功能图如3所示，用户登陆系统时需要输入用户名和密码，系统通过查询比较数据中的用户名和密码，若一致则通过，并且获得相应的权限，否则出现错误提示。

2.2 数据采集

数 据 采 集 模 块 控 制 核 心 和 ZigBee 终 端， 同 时， 选 用 带有 ZigBee 功 能 的 CC2530 无 线 通 信 芯 片。[3]CC2530集成了时钟电路，MCU接口电路，射频输入/输出匹配电路为一体。将传感器节点安放任意位置，则构成一个广泛的监测网络。系统对于室内环境监测主要有室内的温度、湿度、煤气的浓度，默认的情况下是隔两秒中采集一次。采集信息的终端节点和PC机是通RS-232相连。以温湿度传感器为例说明传感器结构，如图4 所示。

2.3 数据库设计

在设计数据库时，考虑到数据库要利于开发和管理，系统选用了SQL server作为后台数据库。SQL Server 是一个关系型数据库管理系统，能够对于应用关系有很好的映射，同时，它也是一个企业级的数据库，可以容纳海量数据，有界面直观和使用广泛的优点。[4]根据要求设计了一个Temper数据库，含4个表，如表1-表5所示。

user是系统用户的管理表，记录了所有用户的用户名，密码，权限和登陆次数。其中所有的字段都不能为空，用户名为该表的主键。

SUM是系统的信息汇总表，记录了所有楼的基本信息，包括楼的名字，这栋楼的层数和存储这栋楼的信息表格的名称。其中所有的字段都不能为空，“名称”为该表的主键。

Table1～3是记录每个节点的基本信息，每个表的数量与节点数量相等，字段都相同。由于这里只有三个节点所以建了三张数据表。其中所有的字段都不能为空，地址为该表的外键。

Ttable是每栋楼的信息汇总表，记录了在该栋楼里放置节点的所有地址和存储节点信息的表的名字。表的数量与楼的数量相等。该表中所有的字段都不能为空，“地址”为外键。

2.4 数据查询

为了方便的分析数据，系统设计了历史数据的查询。数据分为以趋势图显示和表格显示，查询分为根据地址查询、根据检测到的信息类别查询和根据时间查询。若所输入的查询条件在数据库中无法找到相应的数据点，则出现“模块没有检测该时间点的温度”字样，这就需要从新返回输入查找条件。

（1）根据地址查询。管理员需要查询数据必须首先选择需要查询的地址。如果需要更方便的分析数据则需要选择检测信息类别和时间段。

（2）根据检测信息类别查询。 系统检测到的信息种类分为温度、湿度、煤气的浓度。用户根据需要进行选择。

（3）根据时间查询。数据查询的模式是年月日，时分秒，根据存储的数据的格式来查找数据。

2.5 系统设置

本系统的特色在于系统设置模块。系统设置包括地址管理，地图管理和节点管理。管理员可以根据需要添加、删除、修改地址即对数据库中相应的表操作。地址包括每栋楼的名称，每栋楼的楼层，放置节点的房间编号。

地图管理为用户根据地址在系统中导入已经存在的地图，目前系统中可以导入地图的格式为常用的图片格式.gif，.jgp，.bmp。如果地图较为简单，管理员可以自己绘制示意图，绘制完成后管理员可以选择保存地图或者插入到系统中去，保存的格式也为.gif，.jgp，.bmp格式。管理员绘制地图为在画图板中绘制，操作方法与普通的绘图板一致，在绘制的时候只需选择需要的元素。该绘图板的原理为，对绘制地图常用的形状颜色，线条的粗细做了封装。

节点管理就是管理员根据传感器节点的实际位置在地图相应的位置中插入一个热点。为了便于用户识别，热点的名称就为放置节点的房间号和传感器类型（温度、湿度、煤气的浓度），用户在靠近这个热点时，提醒用户附近有可用的热点，点击这个热点就可以查看这个节点采集到的信息。

2.6 报警模块设计

系统的报警主要是通过软件来实现的，主要完成的功能为用户输入一个阈值，当采集到的数据超出阈值则该节点处的蜂鸣器报警且在该地图相应位置的热点闪烁，提醒用户直至采集到的参数低于阈值，蜂鸣器停止，同时，停止闪烁。

3 系统测试

下面是系统的测试，针对完成的设计进行系统测试和结果显示，使本套系统更直观地展现在用户面前。

（1）用户通过输入用户名、密码和正确的验证码登陆到主界面，也可以通过选择添加用户进入用户添加页面。

（2）添加用户是在系统中创建使用温度检测系统的用户，包括用户的名称，用户角色，密码。

（3）用户登陆后，进入主页。主页主要是起导航的作用。这里用Admin的账号登陆，看到如图5的主页。上面的菜单分为三栏分别为设置、查询和退出。设置菜单主要是为管理员提供地图管理、地址管理、绘制地图和数据备份操作。查询菜单主要为用户提供数据报表、历史数据查询、即时

数据查询操作。退出菜单就是退出整个系统。左侧是整个系统的地址分布。用户双击地址，则页面显示相应的地图。在地图上可以看到该区域的温度变化情况。如果管理员在系统中没有插入地图，则显示的是空白区域。这里管理员先进入了地图管理模块。

（4）图6为地图管理模块。系统的地图管理用于管理员在系统中插入地图和节点。管理员在右侧的地址中选择插入相应的地图，然后在地图的相应位置插入节点。若是该地址有相应的地图，则右边该地址显示为蓝色，若该地址有节点，则右边该地址显示为黄色。这次测试中在系统中插入相应的地图和节点。

（5）图7是数据查询页面。数据查询是为用户提供查询历史数据，用户选择数据查询，则数据以表格的形式呈现。选择数据图像，则数据以曲线图的形式呈现，用户可以清楚的看到温度变化的趋势。用户在查询数据前，必须要选择地址。

（6）图8是即时数据查看。是为用户提供查询节点此时采集到的数据，以曲线图的形式呈现。用户可以清楚的看见温度变化的趋势。上面的菜单分为三栏分别为设置、查询和退出。设置为设置系统的采样时间，串口。保存为保存趋势图，供用户分析。

（7）图9是绘制地图界面。管理员绘制地图的方法与普通绘图板的方法一致，管理员选择需要的图形和颜色，在白色的区域进行绘制。这里我们仅仅画了一个示意图。

（8）删除数据是用户把不需要的数据删除，用户需检索到需要删除的数据，然后删除如图10。若需要恢复则通过找回数据恢复。

对于数据库的维护有数据库备份和找回数据。备份数据是管理员在主机上选择合适的路径对于重要的数据备份，备份数据能够在数据丢失的情况下，恢复重要的数据，如图11。找回数据主要是对于用户删除的数据做一个管理，如图12。如果用户需要找回已经被删除的数据，则可以选择还原。如果管理员确定删除数据，则选择彻底删除。

系统是以页面的展示位核心，以上是对系统的主要几个模块的描述。

4 结语

基于Zigbee的室内环境监测系统，通过CC2530实时的传输数据。经过测试该系统能够满足对于环境监测的要求，采集到的信息符合实际情况。该系统具有成本低、效率好、实时性好等特点。但是系统在以下方面有待提高。

（1）提高温度检测的精度。 温度很容易受外界影响，如果系统长时间使用将导致硬件散热不及时，可能导致传感器检测到的温度不精确。所以如何精确地检测温度，减少硬件的干扰是我们需要解决的。

（2）节点增多时系统能够顺畅。 本系统的节点比较少，所以不存在节点的协调问题。但如果有成百上千的节点，就存在节点的冲突问题。所以如何协调好个节点间的协调问题，有待进一步解决。

参考文献：

[1] 陈智杰，余楚中，王鹏飞，等. ZigBee 技术在家居智能监控中的应用研究[J].微计算机信息，2011，27（1）：64-66.

[2] 蔡利婷，陈平华，罗彬，等.基于 CC2530 的 ZigBee 数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2012，22（11）：197-200.

[3]辛海亮，钟佩思，朱绍琦， 等.基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J].电子技术应用，2013，39（12）：79-81.

[4] 殷松遷，郭培源，王建华.基于嵌入式及 ZigBee 技术的居室环境监测系统[J].嵌入式技术2012，38（8）：23-25.

A Study on the Monitoring System for Indoor Environment Based on Zigbee

WANG Lei

（Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade， Huainan 232007， China）

Abstract： The complex structure has many rooms and covers a wide range. A map management module is designed to facilitate the users to understand the indoor environment information directly. The environmental monitoring system consists of the monitoring center and the sensor network， the sensor collects the indoor environment information and sends data to the terminal node through the wireless mode， the terminal node transmits data to the monitoring center through the serial port and then carries out data analysis. This paper is to give the function design， database design and software design of the system.

Key words： wireless sensor； monitoring system； database

责任编辑 张志钊