DOI:10.3969/j.issn.1009-671X.201409001
在社会日常生活中，人们对图书馆的阅读环境提出了更高要求，如何保证图书馆内适宜的温湿度、良好的光线，提供可靠的防火安全措施以及减少能源浪费等都成为亟需解决的问题。由于ZigBee协议是一种基于IEEE802.15.4 标准的短距离、低功耗无线网络协议[1]，具有低成本、低功耗、自组网、网络容量大、可扩展、时延短、安全性高、可靠性强、数据速率低等特点，其被广泛应用于生活的各个方面[2, 3]。文中设计了一种基于ZigBee的图书馆环境监控系统，实现了对环境因素的实时监测并能根据管理员操作做出相应调控，具有一定的经济效益和社会效益。
1 系统概述
图书馆环境监控系统由上位机、协调器、路由器及终端节点(包含传感器及相关控制电路)组成[4]。结构如图 1所示。
协调器上电，选择信道、进行网络配置，建立网络；终端节点自动加入并采集温湿度、光照强度，检测烟雾信息、是否有人，然后将数据传送给路由器节点；经过路由器节点之间的互相通讯以及数据处理，最终将数据通过协调器节点传至上位机；上位机软件将所测得的信息进行实时显示，以方便管理员对图书馆环境进行查询与监控。同时软件平台可根据管理员操作向下位机发送命令，传送到相应终端节点实现对温度、湿度、灯光及警报的控制。终端节点可根据检测的烟雾信息自动进行火灾报警,同时也可以根据需要实现防盗警报。
2 系统硬件设计
2.1 终端节点硬件设计
系统的终端节点以CC2530芯片为核心结合各个传感器以及相关控制电路组成[5]。
2.1.1 终端节点传感器电路设计
1)选用数字型插针式的DHT11温湿度传感器采集图书馆各处温度、湿度。DHT11是含有已校准数字信号输出的复合传感器，包括一个电阻式感湿元件以及一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接。具有体积小、功耗低、精度高、响应快、抗干扰性强、性价比高等优点。温湿度传感器接口电路如图 2所示，LED1为温湿度传感器工作指示灯。
2)选用具有多分辨模式的BH1750FVI光照传感器。BH1750FVI内部包含接近人眼反应的光敏二极管(PD)、集成运算放大器(AMP)、ADC模块、光强度计算和I2C总线接口(Logic+IC Interface)以及内部振荡器(OSC)。测量时无需其他外部件，对应广泛的输入光范围(相当于1~65 535 lx)，直接数字输出，省略复杂的计算，光源依赖性弱，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1 lx的高精度测定。文中选用分辨率在1 lx的H分辨率模式。电容作用是滤波，为了输入稳定的电压，I2C时钟线SCL和数据线SDA分别接到IO引脚；地址选择线直接接地，即从机的地址为“0100011”[6]。如图 3光照传感器接口电路所示,ADDR引脚接地，SCL与SDA引脚分别与P0.4、P0.5相连，LED2为光照传感器工作指示灯。
3)选用MQ-2烟雾传感器监测烟雾浓度来实现火灾防范与警报。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中烟雾浓度越大，传感器电导率越大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，从而判断是否有烟雾存在。烟雾传感器接口电路如图 4所示。
MQ-2传感器连接在P0.6端口上，正常工作时输出高电平，当与烟雾接触时，输出变为低电平；蜂鸣器电路接在P0.7端口，当有险情发生时，P0.7端口向外输出低电平，蜂鸣器发出响声提醒用户注意安全，同时通知上位机。
4)选用HC-SR501红外热释电传感器来判断是否有人。由传感器探测元、干涉滤光片和场效应匹配器组成，人体发射的红外线由菲泥尔滤光片增强后聚集到采用热释电元件的红外感应源上，红外感应源在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡。人进入其感应范围，输出高电平；人离开感应范围，则自动延时关闭高电平，输出低电平[7]。红外热释电传感器接口电路如图 5所示。
2.1.2 终端节点控制电路设计
终端节点通过接收上位机命令后执行控制继电器指令，以完成对温湿度、灯光及报警的开关控制。继电器作为一种电控制器件，实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。通常应用于自动化的控制电路中。
图 6为终端节点控制灯光开关电路，其他控制单元与此相似，不做赘述。上位机下达指令传送到终端节点，终端节点通过P1.3端口控制继电器吸和与断开完成灯光控制。电阻R11主要起限流作用以降低Q2功耗，电阻R12使Q2可靠截止，LED5为继电器工作指示灯，二极管D1选用IN4148，起保护作用。
2.2 路由节点硬件设计
路由器节点以CC2530作为核心，以CC2591为前端传输。增加CC2591芯片，可以提高信号的输出功率，扩大传输距离(通信距离在视野好的开阔环境可达500 m以上)，减少路由器的数量[8]。
CC2591射频前端模块电路如图 7所示，CC2591的3个使能控制引脚HGM、EN、PA_EN 引脚都连接到CC2530的I/O端口P1_2、P1_4、P1_1，射频输入输出引脚RF_N和RP_N分别与CC2530芯片的射频输入输出引脚RF_N、RP_N相连。
由于路由器节点需要一直搜索是否有信息需要转发，功耗较大，故采用直流5 V供电，通过低压差电压调节器AMS1117输出3.3 V给CC2530供电。路由器节点电源电路如图 8所示，路由器节点实物如图 9所示。
2.3 协调器节点硬件设计
协调器节点作为整个网络的核心，负责网络建立、网络配置、与上位机控制软件通信以及完成信息的发送与接收。为了方便上位机控制软件与CC2530芯片之间的通信，采用PL2303芯片实现USB到串口的转换，同时将5 V电压转换为3.3 V给CC2530直接供电。协调器节点外围电路如图 10所示，协调器节点实物图如图 11所示。
3 系统软件设计
本系统软件设计主要分为4部分：终端节点的数据采集与模块控制、路由器节点控制以及协调器节点数据收发与上位机通信及上位机控制软件设计。本系统软件采用C语言模块化编程方式，使程序利于调试和修改,同时也增强了程序的可读性和可移植性。
3.1 系统各节点软件设计
利用TI提供的ZigBee 2007协议栈进行编程，ZigBee协议分为2部分，IEEE 802.15.4 定义了PHY(物理层)和MAC(介质访问层)技术规范；ZigBee联盟定义了NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)技术规范[9]。ZigBee协议栈将各层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供了应用程序编程接口(application programming interface，API)，用户可以直接调用。终端节点[10]、路由器节点[11]及协调器节点控制流程如图 12~14所示。
3.2 系统控制软件设计
本系统上位机软件在.NET平台下使用Visual Studio 2012提供的图形化的可视窗体设计器结合SQL Server 2008进行设计，可以实现所见即所得的设计效果，方便对系统的管理和控制[12]。
菜单栏为系统常用菜单选项，包括管理、设置、用户切换、系统日志和帮助等。地址选择栏提供地点名称，每一地点对应相应的节点状态及控制选择面板，面板中包括显示节点的状态信息(温度、湿度、光照强度、是否有人、有无烟雾)；工作方式选择(自动控制和手动控制)；自动控制时的温度范围、湿度范围及光照强度最小值；温控模块、湿控模块及灯光管理模块的开关选择；有人区域列表。底部为系统时间和系统工作状态。上位机管理软件界面如图 15。
系统以社科借阅区A(20 m×14 m)为例进行测试，节点1、2位于南侧向阳区，节点3、4位于中央区，节点5、6位于北侧靠墙区。测试节点间没有墙体和书架阻隔且为静止状态，6个节点均能顺利加入ZigBee网络。各节点状态信息如表 1。
温度均值为26.67 ℃；湿度均值为50.17%；无烟雾，系统未报警；有人区域列表包括所有节点；温度、湿度及光照强度均在设定范围内，相应模块未工作。
4 结束语
文中设计了一种基于ZigBee的图书馆环境监控系统，简要介绍了系统各部分软硬件组成、设计方法及主要流程。由于ZigBee低成本、低功耗、自组网、容量大、可扩展等特点，既省去了传统布线的繁琐工作，也为系统的节点的增加、功能的扩充提供了便利。系统较好地完成了对环境信息实时监控的基本要求，改变了人工操作费时费力的状况，对工业生产、楼宇消防、安全警报等方面有一定的借鉴意义。
图 1 图书馆环境监控系统结构 
图 2 温湿度传感器接口电路 
图 3 光照传感器接口电路 
图 4 烟雾传感器接口电路 
图 5 红外热释电传感器接口电路 
图 6 终端节点控制电路 
图 7 CC2591射频前端模块电路 
图 8 路由器节点电源电路 
图 9 路由器节点 
图 10 协调器节点外围电路 
图 11 协调器节点外围电路 
图 12 终端节点软件设计 
图 13 路由器节点软件设计 
图 14 协调器节点软件设计 
图 15 上位机管理软件界面
状态信息 1 2 3 4 5 6
温度/℃ 27 27 27 26 27 26
湿度/% 45 48 51 53 52 52
光照强度/lx 1 540 1 496 275 263 206 195
是否有人 有 有 有 有 有 有
有无烟雾 无 无 无 无 无 无
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