基于ZigBee實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

蔡麗萍,李汪彪,陳鴻光,林 立

(福建師范大學(xué) a.軟件學(xué)院 軟件工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，b.光電與信息工程學(xué)院，福州 350108)

基于ZigBee實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

蔡麗萍a,李汪彪b,陳鴻光a,林 立a

(福建師范大學(xué) a.軟件學(xué)院 軟件工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，b.光電與信息工程學(xué)院，福州 350108)

針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室人工管理模式存在的諸多弊端，研究設(shè)計(jì)了基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。通過溫濕度、光照度和煙霧等傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合智能集控中心軟件及Android手機(jī)APP軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多樓群實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)、多媒體設(shè)備、照明系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)等的遠(yuǎn)程集中控制。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平，減輕實(shí)驗(yàn)員的工作負(fù)擔(dān)。

ZigBee； 實(shí)驗(yàn)室； 智能管理； 集中控制； Android

0 引 言

實(shí)踐教學(xué)是高等教育的重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為高校實(shí)踐教學(xué)的重要場所，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的重任，然而，隨著實(shí)驗(yàn)室資金的投入不斷加大，相應(yīng)的儀器設(shè)備數(shù)量和種類也不斷增多，管理難度加大。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室多采用人工管理的模式，人工開關(guān)實(shí)驗(yàn)室、手動(dòng)控制用電設(shè)備和多媒體系統(tǒng)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且效率十分低下。中心曾經(jīng)做過統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)員每日花在日常開關(guān)實(shí)驗(yàn)室(含計(jì)算機(jī)和多媒體設(shè)備等)的時(shí)間大約是2.5 h，繁雜而又枯燥的實(shí)驗(yàn)室管理工作也是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員流失的重要原因之一。因此，如何運(yùn)用信息化手段科學(xué)、高效管理好實(shí)驗(yàn)室和儀器設(shè)備，減輕實(shí)驗(yàn)人員的工作負(fù)荷，成為實(shí)驗(yàn)室管理者必須面對(duì)的一個(gè)問題[1-2]。

近年來，也有部分高校自行開發(fā)設(shè)計(jì)了一些集中控制系統(tǒng)，如浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備用電集中控制系統(tǒng)[3]，寧波大學(xué)開發(fā)了基于電源控制的實(shí)驗(yàn)室集成管理系統(tǒng)[4]，南京林業(yè)大學(xué)研究設(shè)計(jì)了能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)人數(shù)智能控制實(shí)驗(yàn)桌電源通斷的系統(tǒng)等[5]。這些系統(tǒng)都在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率，但它們主要側(cè)重對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電系統(tǒng)的控制，缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)室其他電氣設(shè)備的智能化控制，功能比較單一。

在吸收、借鑒同行成果經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我院實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，本文研究設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測和集中控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多棟實(shí)驗(yàn)樓實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能監(jiān)測和電氣設(shè)備的集中控制，大大簡化實(shí)驗(yàn)人員的日常管理工作，提高實(shí)驗(yàn)中心的信息化管理水平。

1 系統(tǒng)組成與作用

基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1，系統(tǒng)分為4部分:①客戶端?？梢愿鶕?jù)各自的權(quán)限通過數(shù)據(jù)通信接口向控制器發(fā)送控制命令，分為學(xué)生客戶端和管理員客戶端兩種，學(xué)生客戶端可以查看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室課表和實(shí)驗(yàn)室開放情況等；管理員客戶端的權(quán)限比較高，可以借助PC機(jī)或裝有APP的移動(dòng)終端隨時(shí)查看、更改和控制實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的智能控制。②服務(wù)器端。通過通信模塊與嵌入式集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，同時(shí)向嵌入式集控中心傳遞來自客戶端的控制指令。此外，服務(wù)器端還可以用來進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及控制指令的轉(zhuǎn)存。③實(shí)驗(yàn)室集控終端。根據(jù)從服務(wù)器端接收到的來自客戶端的控制指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，如實(shí)驗(yàn)室房門的開關(guān)，調(diào)節(jié)日光燈的亮滅等，同時(shí)將數(shù)據(jù)返回至服務(wù)器端。④受控對(duì)象。包括實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的一些設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)攝像頭、門禁控制器、日光燈、空調(diào)、計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)等，以及新增加的溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，把受控對(duì)象劃分為實(shí)驗(yàn)室集中控制對(duì)象和環(huán)境監(jiān)測對(duì)象。

圖1 智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

智能終端的功能包括智能環(huán)境監(jiān)測和集中控制兩部分。①智能環(huán)境監(jiān)測。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署溫濕度傳感器、紅外傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、實(shí)驗(yàn)室的開啟狀況、日光燈的亮滅情況等。實(shí)驗(yàn)管理人員可以通過PC機(jī)實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可借助手機(jī)APP對(duì)實(shí)驗(yàn)室情況進(jìn)行隨時(shí)隨地查詢。②集中控制。將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各個(gè)傳感器經(jīng)過單片機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)，通過無線模塊發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室集控終端進(jìn)行匯總，再經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、判斷和處理，客戶端通過服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)信息的監(jiān)控、查詢、修改，也可以發(fā)送相關(guān)命令給實(shí)驗(yàn)室集控終端進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制的目的。管理員只需在PC終端便可調(diào)控實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備，如遠(yuǎn)程開門、定時(shí)開門、遠(yuǎn)程開啟多媒體設(shè)備和中央空調(diào)等；結(jié)合實(shí)驗(yàn)中心總監(jiān)控畫面，對(duì)下課后未能及時(shí)關(guān)閉的多媒體設(shè)備、空調(diào)、照明系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)等進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的高效管理和節(jié)能減排。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1智能集控系統(tǒng)框架

實(shí)驗(yàn)室智能集控系統(tǒng)框架如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器完成現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，前端采集控制器歸納為模擬型采集器、數(shù)字型輸入/輸出模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換器等。其中模擬型采集器主要完成市電電壓、電流、用電功率和環(huán)境溫濕度的采集，數(shù)字型輸入模塊主要為煙霧和防盜檢測模塊，數(shù)字型輸出模塊包括繼電器等輸出控制裝置，協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成中央空調(diào)、多媒體中控和UPS等各種智能設(shè)備控制的協(xié)議轉(zhuǎn)換[6]。

圖2 實(shí)驗(yàn)室智能集控系統(tǒng)框圖

2.2網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

NXP的LPC2368單片機(jī)是一款基于ARM7處理器內(nèi)核的 32 位高性能低功耗單片機(jī)。此系列單片機(jī)具有多種外設(shè)，如WDT、ADC、I2C、UART、SPI、PWM、USB和以太網(wǎng)等，支持10/100Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B，功能強(qiáng)大且效率高[7]。本系統(tǒng)使用LPC2368的以太網(wǎng)與UART實(shí)現(xiàn)底端ZigBee設(shè)備與PC服務(wù)器端的中繼轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)電路

2.3基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能集控系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片設(shè)計(jì)，CC2530 是支持ZigBee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 集成了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051CPU，片內(nèi)32～256 KB Flash，8 KB RAM 和AD轉(zhuǎn)換器[7-8]。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

基于CC2530的ZigBee最小系統(tǒng)如圖4所示，二極管D1實(shí)現(xiàn)輸入電源極性保護(hù)功能，采用低功耗的LDO芯片HT7533實(shí)現(xiàn)3.3 V的穩(wěn)壓，給CC2530提供穩(wěn)定的供電電壓，CC2530的外圍電路參考TI公司官方給出的參考電路設(shè)計(jì)[8]，LED指示燈D2～D7實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的指示。ZigBee無線信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，被傳送至CC2530解析成邏輯命令以完成相應(yīng)的指令。

(1) ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息等[8]。協(xié)調(diào)器通過UART接口和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)連接，硬件電路上相對(duì)比較簡單，電路采用圖4的CC2530的最小系統(tǒng)，通過J1接口和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器連接。

(2) 交流電量采集器。交流電量采集器實(shí)現(xiàn)市電供電電壓、設(shè)備用電電流和用電功率等參數(shù)的采集，該模塊基于CRYSTAL公司CS5460A單相電表芯片設(shè)計(jì)，通過電壓變送器PT10B和電流變送器CT103X實(shí)現(xiàn)交流電壓和電流的采集[9]，電路如圖5所示。

(3) 紅外遙控輸出和繼電器輸出模塊。紅外遙控輸出和繼電器輸出模塊的電路如圖6所示，紅外遙控輸出實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空調(diào)和投影儀的開關(guān)控制，紅外發(fā)射管的安裝位置需充分考慮實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部所有紅外遙控設(shè)備的可接收范圍。繼電器輸出則通過觸點(diǎn)與用電設(shè)備的吸合與釋放，來實(shí)現(xiàn)對(duì)各實(shí)驗(yàn)室的照明控制、門禁控制和計(jì)算機(jī)的電源控制[10-13]。由于繼電器的供電電流比較大，該模塊的供電采用AC-DC輸出DC12V提供。

通過與網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室無人值守化管理，當(dāng)視頻監(jiān)測畫面檢測到實(shí)驗(yàn)室無人的情況下，可自動(dòng)關(guān)閉照明系統(tǒng)和電源供電系統(tǒng)。

(4) 傳感器模塊。傳感器模塊電路如圖7所示，包括溫濕度傳感器DHT11，光照度傳感器ISL29001，煙霧傳感器和熱釋紅外傳感器，采用現(xiàn)成的開關(guān)量輸出傳感器，通過PC817光耦接入到CC2530的IO口以提高系統(tǒng)的可靠性[14]。

圖4 基于CC2530的ZigBee最小系統(tǒng)原理圖

圖5 交流電量采集器原理圖

(5) 智能設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)室中的帶通信接口的智能設(shè)備主要有投影儀和講臺(tái)中控系統(tǒng)，其接口一般采用RS-232或者RS-485[15]，針對(duì)這些智能設(shè)備的控制增加了一個(gè)ZigBee轉(zhuǎn)RS-232/RS-485的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，電路原理圖如圖8所示。

智能設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換器接收各無線ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口傳送到協(xié)議轉(zhuǎn)換器的串口，并最終以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的形式傳送到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)互通。

圖7 傳感器模塊原理圖

圖8 智能設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換器原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要介紹智能集控中心軟件及Android手機(jī)終端軟件。

3.1智能集控中心流程圖

圖9給出了智能集控中心的流程，智能集控中心在初始化之后，接收來自上端的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷之后再把數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)相應(yīng)的子模塊，各控制模塊根據(jù)接收到的指令對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖9 智能集控中心流程圖

3.2移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

Android手機(jī)移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)，主要從功能結(jié)構(gòu)和流程來展開說明。

(1) 移動(dòng)終端功能結(jié)構(gòu)。移動(dòng)終端的使用者主要是學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室管理員，用戶注冊(cè)成功后，其信息就會(huì)被保存到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，當(dāng)用戶再次登錄時(shí)，服務(wù)器就會(huì)根據(jù)用戶類型賦予相應(yīng)的權(quán)限。學(xué)生賬號(hào)只能查詢實(shí)驗(yàn)室課表和開放實(shí)驗(yàn)室的開放情況；而管理員賬號(hào)的權(quán)限較高，除對(duì)實(shí)驗(yàn)室課表及開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理外，還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制門禁系統(tǒng)、多媒體中控系統(tǒng)、中央空調(diào)、照明系統(tǒng)及供電系統(tǒng)等[3,16]。

圖10 移動(dòng)終端功能結(jié)構(gòu)示意圖

(2) Android手機(jī)終端流程圖。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鞠到y(tǒng)采用TCP通信方式。服務(wù)器偵聽來自Android手機(jī)移動(dòng)終端的連接請(qǐng)求，接收并判斷此請(qǐng)求，若連接成功則發(fā)送消息，等待Server的應(yīng)答及數(shù)據(jù)返回，并通知觀察者接收數(shù)據(jù)和消息狀態(tài)；若連接不成功則會(huì)再次嘗試連接，直至連接超時(shí)自動(dòng)關(guān)閉TCP通信。

圖11 Android手機(jī)終端流程圖

當(dāng)服務(wù)器接收到來自客戶端的TCP數(shù)據(jù)，則會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，通過ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制。對(duì)于多棟實(shí)驗(yàn)樓的多間實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制，可通過上位機(jī)間的聯(lián)網(wǎng)通信來完成，通過連入校園網(wǎng)，用戶還可以在線查看相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的最新使用情況。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多棟實(shí)驗(yàn)樓實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能監(jiān)測和電氣設(shè)備的集中控制，徹底改變了以往粗放式管理模式，大大減輕了實(shí)驗(yàn)員的日常管理工作，提高了實(shí)驗(yàn)室的智能化管理水平。此外，通過對(duì)有源設(shè)備的智能化集中控制，也有效避免電力資源的浪費(fèi)，延長用電設(shè)備使用壽命，并在一定程度上提高實(shí)驗(yàn)室的安全保障問題。

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Research and Design of Intelligent Management System of Laboratories Based on ZigBee

CAILipinga,LIWangbiaob,CHENHongguanga,LINLia

(a.Software Engineering Provincial Demonstration Center,Faculty of Software,b.College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350108,China)

Aiming at the disadvantages of the traditional computer lab manual management mode,this paper studies the design of the intelligent management system based on ZigBee.In this system,the real-time monitoring of environmental parameters in the laboratory is realized through the sensors such as temperature,humidity,light intensity and smoke.Relying on the software of intelligent centralized control center and Android mobile phone APP software,this system can realize the remote centralized control of the laboratory access control system,multimedia equipment,lighting system and computer power supply system.It has been proved that this system can realize the intelligent management of the laboratory,improve the management level of the laboratory,and reduce the workload of the laboratory staff.

ZigBee; laboratoryies; intelligent management; centralized centralized control; Android

2016-11-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61502103);福建省教育廳杰青項(xiàng)目(J1-1157);福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA13076)

蔡麗萍(1984-)，女，福建莆田人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)中心副主任，從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理工作,研究方向：嵌入式系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)。

Tel.: 18960867922; E-mail: cailp108@163.com

TP 302； G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0159-05