基于樹莓派和Yeelink的開放實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設計

關(guān)靜麗， 艾 紅， 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192)

基于樹莓派和Yeelink的開放實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設計

關(guān)靜麗， 艾 紅， 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192)

為了實現(xiàn)開放實驗室的安全運行，設計了一套基于樹莓派和Yeelink的開放實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在實驗室內(nèi)部使用近距離無線通信技術(shù)ZigBee建立無線傳感網(wǎng)絡，實時監(jiān)測實驗臺和空調(diào)電源、人體紅外和門窗磁等安防參數(shù)，樹莓派網(wǎng)關(guān)把ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的各項實驗室數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺Yeelink，PC和手機用戶即可通過Yeelink實現(xiàn)遠程監(jiān)控，系統(tǒng)對開放實驗室的安全運行具有一定的實際應用價值。

樹莓派； 開放實驗室； Yeelink； 遠程監(jiān)控

0 引 言

目前各高校都在大力提倡實驗室開放，開放實驗室為學生提供了一個寬松、便利的實驗環(huán)境，可以更好地培養(yǎng)其動手能力、創(chuàng)新能力和科學素質(zhì)。但隨之而來的各種問題和安全隱患也給實驗室管理工作帶來挑戰(zhàn)。為了做好實驗室的開放式運行和管理，各種實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)應運而生[1-3]。

樹莓派(Raspberry Pi)是2012年由英國樹莓派基金會發(fā)行的一款卡片式計算機，它采用了ARM架構(gòu)處理器和Linux操作系統(tǒng)，在只有信用卡大小、購買成本只需200元左右的硬件電路板上實現(xiàn)了個人計算機的全部功能[4]。樹莓派接口豐富、可擴展性強、有著豐富的開源軟件資源，與傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)平臺相比，在速度、集成度、價格和效率上有著明顯的優(yōu)勢，因而上市兩年來在嵌入式開發(fā)領域發(fā)展迅速[5-7]。

Yeelink是一個開放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺，提供高并發(fā)接入服務器和云存儲方案，用戶不必了解服務器實現(xiàn)細節(jié)和運行情況，就可以完成傳感器數(shù)據(jù)接入、存儲和展現(xiàn)任務，從而實現(xiàn)遠程獲取傳感器信息或者對設備遠程控制。

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低速率、低成本、低功耗的雙向無線通信技術(shù)[8]，是適合構(gòu)建低速率無線傳感器網(wǎng)絡的標準之一，非常適合用于智能實驗室、智能家居等無線傳感器網(wǎng)絡中信息和數(shù)據(jù)量較小的系統(tǒng)。

本文基于樹莓派、Yeelink和ZigBee技術(shù)，設計了一個開放實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對開放實驗室的實時監(jiān)測和遠程控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

開放實驗室監(jiān)控系統(tǒng)主要由樹莓派網(wǎng)關(guān)、ZigBee無線網(wǎng)絡、攝像頭模塊和系統(tǒng)客戶端4部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

樹莓派作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責內(nèi)部與外部網(wǎng)絡之間的相互通信，通過 ZigBee無線網(wǎng)絡對開放實驗室內(nèi)各設備終端進行實時監(jiān)控和管理。同時，樹莓派通過CSI接口連接一個攝像頭，對開放實驗室內(nèi)部情況進行實時監(jiān)控。

ZigBee無線網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個終端節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責ZigBee組網(wǎng)和維護、通過ZigBee網(wǎng)絡與終端節(jié)點交換信息、通過串口與樹莓派網(wǎng)關(guān)通信。ZigBee終端節(jié)點負責對各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息進行采集和處理，包括實驗臺和空調(diào)電源監(jiān)測、人體紅外探測、火焰探測、煙霧探測和門磁等，并根據(jù)指令進行相應的控制，驅(qū)動繼電器產(chǎn)生動作，比如關(guān)閉實驗臺和空調(diào)電源等。

實驗教師使用PC機和智能手機通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺Yeelink可以遠程訪問樹莓派網(wǎng)關(guān)，實時了解實驗室情況，如發(fā)現(xiàn)學生離開實驗室后沒有關(guān)掉實驗臺或空調(diào)，可以遠程控制關(guān)閉實驗臺或空調(diào)電源，如有異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)也可向手機終端發(fā)送推送報警。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 樹莓派網(wǎng)關(guān)

樹莓派網(wǎng)關(guān)采用樹莓派基金會2014年7月發(fā)布的B+型樹莓派，樹莓派B+板的主要部件包括片上系統(tǒng)SOC、內(nèi)存、USB、網(wǎng)絡控制器和電源，如圖2所示。片上系統(tǒng)SOC采用博通Broadcom BCM2835芯片，其中集成了CPU和圖像處理器GPU，CPU是ARMv6架構(gòu)的ARM1176JZF-S，工作頻率700 MHz。此外，樹莓派B+板提供了豐富對外接口，包括4個USB2.0接口、網(wǎng)絡接口、攝像頭接口、HDMI接口、SD卡接口和40針通用I/O接口等[9]。

圖2 樹莓派B+板

樹莓派網(wǎng)關(guān)通過串口UART與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，樹莓派B+板提供了一個40引腳的雙排針通用I/O接口，其中除了通用GPIO引腳、電源、地信號外，還包括一些符合UART、SPI、I2C等總線接口標準的引腳，是樹莓派對外部硬件設備控制和數(shù)據(jù)交換的重要通道。在這些外部I/O接口引腳中，GPIO14為串口數(shù)據(jù)發(fā)送端UART0_TXD，GPIO15為串口數(shù)據(jù)接收端UART0_RXD，GPIO17為請求發(fā)送UART0_RTS。

攝像頭模塊采用500萬像素的OV5647鏡頭，能拍攝分辨率為2 592×1 944像素的圖片，或錄制30幀/s的1 920×1 080像素的視頻，通過串行接口CSI直接與樹莓派的圖像處理器GPU模塊相連。

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡

ZigBee無線網(wǎng)絡采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個終端節(jié)點組成。

(1) ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡的主控節(jié)點，負責啟動和維護整個網(wǎng)絡、接收和處理各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)、把網(wǎng)關(guān)傳達的指令發(fā)送給相應的終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器采用 CC2530芯片為核心器件構(gòu)成，CC2530是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機，CC2530很好地支持了TI公司的 Z-Stack 2007協(xié)議棧，能夠方便地組建無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)節(jié)點間的無線傳輸[10]。CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，其外圍電路非常簡潔，主要包括巴倫匹配電路、晶振、阻抗匹配、濾波電路、電源去耦等電路[11]。CC2530通過串口與樹莓派網(wǎng)關(guān)相連。

(2) ZigBee終端節(jié)點。終端節(jié)點由ZigBee模塊和采集/控制模塊組成，負責數(shù)據(jù)采集、把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器、根據(jù)協(xié)調(diào)器的指令控制實驗室設備。ZigBee模塊在硬件上與協(xié)調(diào)器節(jié)點相同，只是軟件設計不同。采集/控制模塊主要包括人體紅外探測、門窗磁傳感器采集模塊和實驗臺、空調(diào)電源控制模塊。

人體紅外熱釋電傳感器的作用是監(jiān)測實驗室是否有人，可與門磁傳感器配合使用。在工作時段，當監(jiān)測到一段時間實驗室無人而門未關(guān)好時，通知實驗室管理員前去查看是否學生離開忘記關(guān)門。在夜間，如監(jiān)測到有人異常侵入，發(fā)送報警信息。紅外熱釋電傳感器模塊主要由紅外熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡和驅(qū)動電路構(gòu)成。驅(qū)動電路采用集成芯片BISS0001，其內(nèi)部的放大器將來自熱釋電傳感器的信號放大后，通過比較器和定時器轉(zhuǎn)換為高低電平信號輸出至CC2530的I/O輸入口。

門磁傳感器用來檢測實驗室門的開關(guān)狀態(tài)，由永磁體和無線發(fā)射模塊兩部份組成，分別安裝在門框和門扇里，永磁體用來產(chǎn)生恒定的磁場，無線發(fā)射模塊內(nèi)有一個常開型的干簧管，當磁體與干簧管的距離保持在1.5 cm內(nèi)時，干簧管處于斷開狀態(tài)，一旦磁體與干簧管分離的距離超過1.5 cm時，干簧管就會閉合。采用MC-38型有線門磁，無線發(fā)射模塊一側(cè)有2根導線, 一根導線連接3.3 V電源，另一根導線連接CC2530的I/O輸入口。當實驗室門關(guān)閉時，門磁開關(guān)斷開，輸入為低電平；當門實驗室打開時，門磁開關(guān)導通，輸入高電平，CC2530 通過判斷輸入電平的高低即可獲取門的開關(guān)狀態(tài)。

實驗臺電源控制模塊由電流電壓檢測電路和3.3 V/5 A固態(tài)繼電器組成，如圖3所示。當實驗室長時間無人或非工作時段檢測到實驗臺電源未關(guān)閉時，可通過CC2530的I/O輸出口經(jīng)光耦隔離來控制固態(tài)繼電器關(guān)閉實驗臺電源。

圖3 實驗臺電源控制模塊

空調(diào)電源控制器因入口電壓為 380 V，需采用3路繼電器來分別控制 U、V、W三相的通斷，固態(tài)繼電器也相應地選用3.3 V/10 A大功率繼電器。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 樹莓派網(wǎng)關(guān)軟件設計

樹莓派采用Raspbian操作系統(tǒng)，它是一個基于Debian發(fā)行版Linux修改得到的適用于樹莓派的操作系統(tǒng)，具有完整的TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議，有著豐富的開源軟件資源，支持C語言、C++和Java、Python等腳本語言。

樹莓派網(wǎng)關(guān)作為實驗室內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，其主線程流程如圖4所示。系統(tǒng)啟動后進入設備初始化、加載系統(tǒng)設置并啟動攝像頭，接收并處理ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)后，把攝像頭采集的圖像、實驗臺電源及各傳感器數(shù)據(jù)實時上傳Yeelink網(wǎng)絡云平臺；當監(jiān)測到非工作時段或工作時段實驗室長時間無人而實驗臺或空調(diào)電源未關(guān)閉等異常情況時，向網(wǎng)絡云平臺發(fā)送報警信息；當收到客戶端通過云平臺下達的命令時，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，完成客戶端的遠程控制操作，如關(guān)閉實驗臺或空調(diào)電源等。當夜間監(jiān)測到門磁傳感器或人體紅外傳感器異常情況時，由子線程向網(wǎng)絡云平臺發(fā)送報警信息[12-13]。物聯(lián)網(wǎng)云平臺Yeelink提供了基于HTTP協(xié)議的API接口，可以通過HttpRequest方式上傳或查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

圖4 樹莓派網(wǎng)關(guān)流程圖

3.2 ZigBee無線網(wǎng)絡軟件設計

ZigBee無線網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)基于TI公司的Z-Stack 2007協(xié)議棧完成，采用星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

(1) 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計。協(xié)調(diào)器是ZigBee無線網(wǎng)絡的維護與管理者，負責組網(wǎng)并實現(xiàn)與樹莓派和終端節(jié)點的數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，通過信道掃描，找到一個空閑的信道，生成一個工作范圍內(nèi)所沒有的網(wǎng)絡號(PAN ID)，建立ZigBee 無線網(wǎng)絡。然后檢測是否有入網(wǎng)需求的合法終端節(jié)點，等待節(jié)點加入網(wǎng)絡。在各終端節(jié)點都加入網(wǎng)絡后，實時獲取終端節(jié)點采集的各項數(shù)據(jù)[14]，通過串口發(fā)送給樹莓派網(wǎng)關(guān)；當接收到來自網(wǎng)關(guān)的指令時，發(fā)送給終端節(jié)點執(zhí)行相應操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器工作流程圖

(2) 終端節(jié)點軟件設計。系統(tǒng)中包含多個 ZigBee 終端節(jié)點，每個節(jié)點根據(jù)具體功能擴展了不同的傳感器模塊或控制模塊，負責將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器，或者執(zhí)行協(xié)調(diào)器下達的指令，控制相應的聯(lián)動設備動作。在無線網(wǎng)絡通信部分，這些終端節(jié)點的程序功能是一致的，其流程圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點工作流程圖

終端節(jié)點在上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡請求信號，在網(wǎng)絡建立后即可采集傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，采集結(jié)束進入休眠狀態(tài)以節(jié)省電量，當采集任務定時到期時自動喚醒。處在休眠狀態(tài)的終端節(jié)點一旦接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的喚醒信標，馬上觸發(fā)中斷，進入正常工作模式，根據(jù)協(xié)調(diào)器命令指示，執(zhí)行規(guī)定的數(shù)據(jù)采集任務或外部設備控制任務，任務完成后重新進入休眠狀態(tài)。

3.3 客戶端軟件

本系統(tǒng)采用Yeelink平臺作為云端數(shù)據(jù)處理平臺[15]。首先登錄Yeelink平臺，注冊一個個人賬號，登錄后在用戶中心界面添加設備，然后在設備管理界面添加傳感器并設置相應類型，即可獲得和用戶唯一相關(guān)的API key 和設備及傳感器ID。PC和手機終端都可通過Yeelink實現(xiàn)遠程監(jiān)控，手機APP管理界面如圖7所示。

圖7 Yeelink平臺的手機APP界面

4 結(jié) 語

隨著各高校實驗室的開放式運行，各種安全隱患也隨之增加?；跇涿放珊蚙igBee的開放實驗室監(jiān)控系統(tǒng)，利用樹梅派和ZigBee技術(shù)，通過實驗臺和空調(diào)電源監(jiān)測、人體紅外探測和門窗磁等安防參數(shù)的檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，實現(xiàn)了實驗室的全天候遠程監(jiān)控，對開放實驗室的安全運行具有一定的實際應用價值。系統(tǒng)目前只實現(xiàn)了基本功能，還有許多不足之處，比如攝像頭角度單一、圖像效果也略顯拙劣等尚需完善。

[1] 郭小丹. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實驗室安防監(jiān)測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2014，33(4)：281-285.

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[12] Simon Monk．Programming the Raspberry Pi: Getting Started with Python[M]．New York: McGrawhill Education，2012．

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[14] Shahin Farahani. ZigBeeWireless Networks and Transceivers[M]. US:NewnesPress，2008.

[15] Yeelink.物聯(lián)網(wǎng)云平臺Yeelink[EB/OL].http://www.yeelink.net/，2016.

·名人名言·

科學實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，也是工程技術(shù)的基礎。

——張文裕

Design of the Monitoring System of Open Laboratory Based on Raspberry Pi and Yeelink

GUANJingli，AIHong，CHENWenbai

(School of Automation， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China)

In order to realize the safety of the open laboratory，a remote monitoring system of open laboratory is designed based on Raspberry Pi and Yeelink. In the laboratory ZigBee is used to build a wireless sensor network, and security parameters such as power supply of experimental bench and air conditioner, human infrared and door status are collected in real time. Raspberry Pi is used to send the environmental data from ZigBee coordinator to cloud platform of Yeelink. PC and the mobile phone users can realize remote monitoring through Yeelink. The system has some practical values for the safety management of the open laboratory.

raspberry pi； open laboratory； Yeelink； remote monitoring

2016-07-08

北京市自然科學基金資助項目(4162025)；北京科技實驗大學促進高校內(nèi)涵發(fā)展項目(5111623311)

關(guān)靜麗(1973-)，女，吉林乾安人，碩士，高級實驗師，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

Tel.：13681516804；E-mail：jinguanjingli@163.com

TP 302

A

1006-7167(2017)03-0116-04