基于阿里云和Zigbee的智能設備柜設計

劉洪濤 廖茂萍

（1.成都職業(yè)技術學院 四川省成都市 610041 2.成都工業(yè)職業(yè)技術學院 四川省成都市 610213）

隨著學校實驗室越來越開放，儀器和器材的管理越加復雜和困難，使用新技術進行自動管理的需求越來越強，現(xiàn)代的技術教育更加注重學生的實踐，學校的實驗室也在對學生的開放上越來越強，大量的創(chuàng)新型實驗室、創(chuàng)客型實驗室也應運而生，這為學生提供更好的學習科研環(huán)境的同時，設備與器材的管理也不斷困擾實驗管理員和教師，實驗管理員或教師不可能24 小時為在實驗室的學生提供管理與服務，導致設備損壞、遺失等事件高發(fā)，同時，也難以對設備使用情況進行準確地記錄，降低了管理效率。同時，由于對固定資產管理水平要求越來越高，又需要管理者能對這些固定資產進行精細化的管理，完全由人工來管理的工作方法也越來越不現(xiàn)實了。

作為一種可自組網的系統(tǒng)，Zigbee 有獨特的優(yōu)勢。TI 公司為Zigbee 開發(fā)了用于自組網的Zstack 協(xié)議棧，可實現(xiàn)房間空間的所有節(jié)點自動完成動態(tài)無線路由設計與配置，從而使每個節(jié)點可以在網絡中隨時加入、退出和移動，這些特點使它在一些特別的應用場景中顯得非常有價值，同時，TI 公司的Zigbee 芯片CC2531 極強的節(jié)能水平，使得該技術在設備管理上的應用變得可行。

傳感層的數(shù)據需要通過Internet 才能被有效共享，物聯(lián)網的云平臺為這種數(shù)據共享提供了非常好的平臺和應用開發(fā)工具?；谶@樣的平臺，可以非常容易地開發(fā)出對設備柜設備的實時遠程查看與管理。

本設計是將具有RFID 檢測柜內設備的能力的智能設備柜通過Zigbee 進行聯(lián)網，并通過阿里云物聯(lián)網平臺實現(xiàn)對儀器的自動借出、歸還、清點和使用記錄，從而準確地追蹤儀器設備的使用路線和使用記錄，實現(xiàn)對儀器設備的精細化管理。

1 總體設計方案

總體設計如圖1 所示。

在這個結構中，最低層的是從柜端到設備端的總線網絡，這一層實現(xiàn)柜子內部的信息采集，完成對柜內設備的清點與查找；其上一層是基于Zigbee 的無線自組網，實現(xiàn)了小區(qū)域（一個房間內）柜子之間的無線聯(lián)網，避免了網絡連線，提升了靈活性；再上一層為傳統(tǒng)的局域網，由路由和集線器等構成，它將各個小區(qū)域進行聯(lián)網，可根具體分布選擇不同的組網方式；最上一層為基于云平臺數(shù)據管理的以Internet 為基礎的廣域網，實現(xiàn)云平臺數(shù)據管理與移動端數(shù)據訪問。

2 最低層：全雙工四線485總線網絡構成

它位于體系結構的最低層，電氣上基于RS485 技術規(guī)范，為了回避RS485 總線非全雙工的問題，此處采用了雙485 結構，實現(xiàn)了設備端數(shù)據的快速讀取。

圖1：總體系統(tǒng)框圖

在這個網絡上，柜端承擔了主機（Master）的角色，所有設備端都是從機（Slave）。這條雙485 總線上，一對總線為指令總線，只負責將主機的指令廣播下傳給所有從機，從機的數(shù)據則通過另一對總線（數(shù)據總線）上傳主機。從機不間斷監(jiān)聽指令總線，當聽到主機廣播中有要求自己上傳數(shù)據的指令時，才會在規(guī)定的時間內將相關數(shù)據上傳，其它時間只監(jiān)聽和判斷總線空閑。這樣一來，主機與從機之間就形成了全雙工通信：主機在任意時間都可以下達指令，為了避免多個從機沖突，從機在主機的協(xié)調下，當監(jiān)聽到總線空閑的時候，在規(guī)定的時間內上傳數(shù)據。

設備端是以RFID 讀卡器為主的設備識別端，每個設備都有一個獨立的不干膠柔性RFID 卡貼在設備后蓋合適位置，當設備放入設備柜后，RFID 卡靠近讀卡器，讀卡器通過讀取卡的序列號實現(xiàn)對設備是否在柜中的判斷。同時，關于設備的信息，包括狀態(tài)記錄和維修記錄，都被云平臺數(shù)據庫存在該ID 序列號下，實現(xiàn)對設備的精細化管理。

使用了RFID 管理后，設備可被放在任意柜中或柜中任意位置，要取用時，可通過每個讀卡器上的LED 進行位置提示，實現(xiàn)對設備借用歸還的柔性化精細化管理。

3 底層基于Zigbee的NB PAN網絡

Zigbee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗PAN 協(xié)議，它規(guī)定了該技術是一種短距離、低功耗、窄帶的無線通信技術，非常適合實驗室內設備柜與管理端的通信。

ZigBee 無線網絡由諸多節(jié)點組成。ZigBee 節(jié)點有三種類別，分別是協(xié)調器（Coodinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。同一網絡中至少需要一個也只能有1 個協(xié)調器，負責各個節(jié)點16 位地址分配，通過自組網的協(xié)議棧，可以實現(xiàn)地址的自動分配。

ZigBee 無線網絡根據連接的拓撲方式，可以分為星形、樹型和網形三種，為了適應面積較大實驗室的使用，采用樹形網是較優(yōu)的選擇，如果某個設備柜與協(xié)調器節(jié)點太遠（通常距離大于10 米），就有可能無法與協(xié)調器節(jié)點直接連接，這時候通過某個中間的路由節(jié)點，就可以實現(xiàn)連網通信了。

實現(xiàn)這一過程，使用了Z-stack 協(xié)議棧。Z-stack 協(xié)議棧繼承了Zigbee 無線網協(xié)議層的架構，它的物理層和媒體訪問層基于IEEE802.15.4 規(guī)范，而網絡層和應用層則基于標準Zigbee 規(guī)范。如果某些節(jié)點或全部節(jié)點被設置為路由節(jié)點，這些節(jié)點便可以成為某兩個相距較遠節(jié)點的中斷路由，協(xié)議棧通過對各節(jié)點信號強度的測量確定它與這些節(jié)點的通信距離，并由此構建出最為合理的網絡結構，這種網絡構建是動態(tài)的，會不斷根據節(jié)點的通斷電增刪節(jié)點，也能不斷根據節(jié)點的移動改變網絡結構，實現(xiàn)所謂的自組網，實現(xiàn)將小區(qū)域內的設備柜聯(lián)網。

每個設備柜為一個Zigbee 節(jié)點，為適應不同的房間布置后的自組網生成，都被設置成了路由節(jié)點。每個節(jié)點周期性地將本柜的數(shù)據通過這個自組網上報，上報的數(shù)據為柜端通過總線對柜內設備端掃描清點獲得。

Z-stack 協(xié)議棧的APL 層可以理解成一個基于任務循環(huán)的簡單操作系統(tǒng)，如果要增加一個新的任務，則需要將這個任務加入到循環(huán)中。加入的方法是先進行登記，再將任務函數(shù)加入到任務列表，從而在循環(huán)中實現(xiàn)任務功能。在本例中，循環(huán)中最主要的任務是對本柜設備的掃描清點。

4 靈活的中層局域網選擇

如果僅有一個實驗室，只需要一個Zigbee 網絡即可實現(xiàn)對所有設備柜的覆蓋，則這個中層局域網絡是可以省略的。如果有多個實驗室，需要將設備柜納入統(tǒng)一管理，這些實驗室則需要通過中層局域網絡來連接，這種中層局域網絡是成熟的以太局域網，它可以根據具體情況設計網絡拓撲結構。

中層局域網將所有的實驗室設備柜數(shù)據都可以匯集到服務器中，這個服務器可以是本地的服務器，也可以是云服務器，而后者可以實現(xiàn)基于互聯(lián)網的遠程管理。本例使用的是阿里云物聯(lián)網的云平臺。

5 基于物聯(lián)網云平臺的數(shù)據管理與分享

物聯(lián)網云平臺是實現(xiàn)物聯(lián)網遠程管理的重要平臺工具，很多網絡公司均在打造屬于自己的物聯(lián)網平臺，如阿里云、百度云、騰迅云等，各種云平臺有各自的特色與特點，但有大致相似的基本架構。本例以阿里云物聯(lián)網平臺為例，完成設備柜管理數(shù)據的云平臺共享。

阿里云物聯(lián)網平臺有豐富而完備的架構與模塊，本項目僅使用它的少量資源，在這個架構中，Zigbee 協(xié)調器作為云平臺的設備為物聯(lián)網平臺提供數(shù)據，物聯(lián)網平臺完成數(shù)據的存儲、設備管理、數(shù)據監(jiān)控以及權限管理等工作。除此之外，阿里云還提供了諸多產品，如果函數(shù)計算、圖像識別、機器學習等，這些可用于本例的升級應用。

阿里云物聯(lián)網平臺為開發(fā)者提供了相應的開發(fā)平臺LinkDevelop，可以方便地開發(fā)數(shù)據接入、Web 端大屏顯示、移動端（IOS 和Android）簡單應用、服務器端的相應應用。具體開發(fā)過程分為以下幾步：

5.1 將Zigbee網接入

LinkDevelop 平臺提供了多種接入方式，例如WiFi、LoRa、ZigBee、藍牙等。接入的過程需要先選擇通訊方式和設備類型，并為設備取名和分類，以及選擇適合的數(shù)據結構，最后進行功能定義，功能定義包括功能名稱、標識符、數(shù)據類型、取值范圍、單位等更為詳細的內容。

5.2 添加測試設備

添加測試設備是接入設備的準備。這是因為設備在接入LinkDevelop 平臺時，需要一個三元組（ProductKey，DeviceName，DeviceSecret）來構建連接參數(shù)。

5.3 建立連接

建立連接的方法，是使用ZigbeeManager 對象的autoConnect方法先將設備連接到Zigbee。然后再用MQTT 協(xié)議將設備接入LinkDevelop 平臺，它由初始化連接參數(shù)的函數(shù)AliyunIoT_Init()、與阿云IoT 建立連接的函數(shù)AliyunIoT_Connect()和檢查連接狀態(tài)的函數(shù)AliyunIoT_CheckConnection()共同完成。

5.4 上報數(shù)據

上報數(shù)據前應先對上報的數(shù)據進行定義，通常采用定期上報的方式。

5.5 Web應用開發(fā)：大屏顯示

在本例中，對數(shù)據的應用相對簡單，因此采用非托管web 應用。在設備接入了LinkDevelop 平臺之后，就可以通過這個開發(fā)顯示設備柜中的設備儲存數(shù)據了。這一過程很簡單，先使用eggjs 作為Web 開發(fā)框架，創(chuàng)建并初始化eggjs 應用并創(chuàng)建模板，然后使用aliyun-api-gateway 發(fā)出API 請求，最后使用axios 在頁面中發(fā)出Ajax 請求，在規(guī)定的周期內實現(xiàn)顯示數(shù)據的刷新。

采用Web 應用開發(fā)，可以使得數(shù)據的查看和顯示可以在任意有網絡的地方實現(xiàn)，提升了數(shù)據的共享水平。

如果需要，根據這一思路，還可以在LinkDevelop 平臺快速開發(fā)出基于IOS 或Android 的應用，這里就不介紹了。

6 小結

基于云平臺的物聯(lián)網解決方案具有突出的優(yōu)點：開發(fā)簡單、開發(fā)周期短、網絡功能齊全等，并且避免了服務器等價格昂貴、維護麻煩、升級周期短的建設，僅用少量的租金即可實現(xiàn)企業(yè)級的物聯(lián)網系統(tǒng)應用。從這些優(yōu)點來看，基于云平臺的物聯(lián)網系統(tǒng)集成的應用會很快成為主流。

數(shù)據的獲得主要來源于傳感網，對于數(shù)據量小、位置靈活并可能經常移動的應用場景，Zigbee 因其自組網的特性擁有難以替換的優(yōu)勢。在Zigbee 開發(fā)中，使用成熟且易于開發(fā)的協(xié)議棧，是提升開發(fā)效率的關鍵。