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摘要：

將zigbee技術(shù)與RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)，提供一個(gè)智能管理平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)；監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室設(shè)備日常運(yùn)行的指標(biāo)，對(duì)于異常情況，發(fā)送報(bào)警短信至設(shè)備責(zé)任人及當(dāng)前使用者做相應(yīng)處理；通過系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：

Zigbee技術(shù)；RFID；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；管理系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)、教育機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)都配備了各自的實(shí)驗(yàn)室，伴隨而來的是大量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，包括大型的、中型的、小型的、精密的儀器等，這也就帶來了許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理問題。及時(shí)有效地掌握設(shè)備的運(yùn)維狀況和設(shè)備的使用信息，可以最大限度避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用者對(duì)設(shè)備信息不了解而造成的意外損壞，這需要有效的信息化管理控制手段，以加大對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。目前，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室采取的設(shè)備管理方式只針對(duì)設(shè)備使用人員進(jìn)行，在使用設(shè)備時(shí)，僅僅只是對(duì)使用者進(jìn)行簡單的登記，并沒有太多的約束作用，不能做到實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的情況。因此，搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理平臺(tái)就顯得很有必要，良好的平臺(tái)可為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備運(yùn)行情況，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的安全數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并通知相關(guān)人員處理，多方位控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行，多渠道通知設(shè)備異常，快速有效實(shí)施實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理，減少因人為過失等不必要原因造成的設(shè)備損失及安全事故。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于RFID和Zigbee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)包括設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)、Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)、管理系統(tǒng)服務(wù)器和GSM手機(jī)端四個(gè)部分。設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)與某一個(gè)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備綁定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上集成RFID讀卡器模塊、Zigbee無線通信模塊、繼電器模塊和傳感器模塊。多個(gè)設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)使用Zigbee無線通信自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成一個(gè)多跳無線通信自組網(wǎng)，每個(gè)設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)即作為信息采集終端節(jié)點(diǎn)又作為信息中轉(zhuǎn)Zigbee路由節(jié)點(diǎn)，各個(gè)設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)采集的信息經(jīng)過多跳傳輸后，最終通過Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送給管理服務(wù)器。管理服務(wù)器端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理和分析，通過其USB接口轉(zhuǎn)串口連接GSM短信Modem，采用SMS短消息的方式，推送實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)備異常告警信息，和接收GSM手機(jī)端發(fā)來的控制指令。GSM手機(jī)端安裝自主開發(fā)的控制APP軟件，用于顯示從管理服務(wù)器端發(fā)來的實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)信息，并反向遠(yuǎn)程控制設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)，通過終端節(jié)點(diǎn)上的繼電器模塊控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源，以達(dá)到遠(yuǎn)程智能監(jiān)管和控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備目的。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器和設(shè)備智能管理控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。Zigbee協(xié)調(diào)器根節(jié)點(diǎn)主芯片使用STM32-M3-260，處理器采用基于ARM內(nèi)核Cortex-M3的微控制器STM32F103C8T6，無線傳感器模塊采用意法半導(dǎo)體的ZB260模塊，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴ＴO(shè)備管理控制節(jié)點(diǎn)采用STM32W108無線Zigbee芯片，其集成了一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的ARMCortex-M3微處理器，支持非特權(quán)操作和特權(quán)操作。其中非特權(quán)操作允許程序員調(diào)度事件，但不允許篡改寄存器及內(nèi)存禁止訪問區(qū)域，而特權(quán)操作則沒有限制，可以訪問Zigbee芯片中的所有寄存器、內(nèi)存等各種資源。特權(quán)操作主要用在Zigbee協(xié)議棧軟件，非特權(quán)操作則用于應(yīng)用軟件。節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集，主要包含溫濕度傳感器和煙霧傳感器兩大模塊，溫濕度傳感器模塊采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器，煙霧傳感器模塊采用MQ-2氣體傳感器作為煙霧和氣體信號(hào)的采集器件[4]。RFID讀卡器模塊負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的身份識(shí)別，核心讀卡芯片使用MFRC522。NXP公司的MFRC522芯片是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，該芯片在13.56MHZ工作，采用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和通信協(xié)議[4]。讀卡芯片中包含發(fā)送器和接收器，無需其他額外電路即可驅(qū)動(dòng)天線與應(yīng)答機(jī)的通信。接收器部分通過調(diào)制解調(diào)電路來處理應(yīng)答器信號(hào)，數(shù)字部分負(fù)責(zé)奇偶校驗(yàn)、CRC冗余等錯(cuò)誤檢測及ISO14443A幀處理。設(shè)備智能管理控制節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)里面功能實(shí)現(xiàn)最直觀模塊，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要功能一是能夠接入?yún)f(xié)調(diào)器所創(chuàng)建的Zigbee網(wǎng)絡(luò)；二是能夠通過傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備信息；三是驅(qū)動(dòng)RFID射頻讀卡器，讀取實(shí)驗(yàn)設(shè)備用戶IC卡信息；四是將IC卡用戶身份信息、傳感器設(shè)備狀態(tài)信息等封裝在一定的數(shù)據(jù)格式包中，發(fā)往協(xié)調(diào)器，在服務(wù)器端處理后，接受服務(wù)器通過協(xié)調(diào)器發(fā)回的信息，通過這些信息做出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)繼電器模塊控制所連接的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.3Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)多個(gè)設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)通過Zigbee自組網(wǎng)功能組建一個(gè)多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)Zigbee協(xié)調(diào)器啟動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)完成后，允許其它路由和終端節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)掃描，將符合協(xié)議規(guī)定的設(shè)備信息儲(chǔ)存起來，并從這些設(shè)備中選取最合適的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)嘗試連接，當(dāng)連接成功，父節(jié)點(diǎn)會(huì)為子設(shè)備分配一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)中唯一的標(biāo)識(shí)。除協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外，子節(jié)點(diǎn)都以路由器的形式加入到網(wǎng)絡(luò)中，增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和靈活性。圖3為路由節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)流程圖。設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)開始工作后，當(dāng)用戶需要使用設(shè)備刷卡時(shí)，從RFID射頻讀卡器上讀取用戶授權(quán)卡號(hào)信息，并通過一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到信息后通過USB傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)服務(wù)端。服務(wù)端部分完成數(shù)據(jù)的提取、分析后將返回信息發(fā)往協(xié)調(diào)器，最后由協(xié)調(diào)器根據(jù)目的地址將信息發(fā)往相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)服務(wù)器端的返回信息作出響應(yīng)。圖4為Zigbee節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

1.4管理系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)如圖5所示，管理系統(tǒng)服務(wù)器由三個(gè)模塊共六個(gè)線程組成，各模塊相對(duì)獨(dú)立，又由數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。三個(gè)模塊各自分工明確：數(shù)據(jù)處理線程總理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)度、轉(zhuǎn)發(fā)，主要接收處理串口收到的數(shù)據(jù)，按照給定的格式對(duì)由串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，按照既定規(guī)范，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給TCP模塊、主界面、GSM模塊，并統(tǒng)一由數(shù)據(jù)處理線程對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫讀寫操作，同時(shí)定時(shí)監(jiān)控設(shè)備是否長時(shí)間未發(fā)送信息，若時(shí)間超過指定時(shí)長，則認(rèn)為該設(shè)備處于離線狀態(tài)。主界面顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要功能有：顯示存在數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備，并顯示在線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置（串口設(shè)置、模塊設(shè)置、數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置），設(shè)置信息保存于本地，當(dāng)下次打開系統(tǒng)的時(shí)候自動(dòng)讀取相關(guān)參數(shù)，打開系統(tǒng)；查看設(shè)備歷史使用記錄，讀取數(shù)據(jù)庫相關(guān)表，獲得設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)，包括報(bào)警記錄等；添加用戶、設(shè)置用戶使用設(shè)備權(quán)限；修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。GSM模塊，將緩存區(qū)數(shù)據(jù)解析發(fā)送至相應(yīng)手機(jī)短信，主要是為了多方位的通知設(shè)備責(zé)任人及設(shè)備使用者，告知設(shè)備的異常狀況，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：將指定的報(bào)警信息發(fā)送至設(shè)備責(zé)任人及設(shè)備使用者（若無當(dāng)前使用者，則發(fā)送給設(shè)備責(zé)任人）；接收由設(shè)備責(zé)任人或設(shè)備使用者發(fā)送的短信，經(jīng)過解碼后，將指令通過串口發(fā)送至Zigbee網(wǎng)絡(luò)，快捷地遠(yuǎn)程管控設(shè)備。由于系統(tǒng)預(yù)設(shè)是實(shí)時(shí)運(yùn)行的，而各設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)參數(shù)都是相同的，所以在使用節(jié)點(diǎn)前需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化工作，將設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)按照需求進(jìn)行初始化，節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息錄入數(shù)據(jù)庫，使設(shè)備接入系統(tǒng)時(shí)能正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶信息、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備使用信息、設(shè)備權(quán)限信息、設(shè)備環(huán)境狀態(tài)信息、設(shè)備異常信息等。

2系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試前，先搭建系統(tǒng)環(huán)境，包括以下步驟：1)使用串口轉(zhuǎn)USB線連接協(xié)調(diào)器，并安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)；2)使用串口轉(zhuǎn)USB線連接GSM模塊；3)打開設(shè)備智能管理節(jié)點(diǎn)；4）開啟上位機(jī)管理系統(tǒng)；5)配置管理系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。測試時(shí)，打開SQLServer數(shù)據(jù)庫服務(wù)，導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)庫；運(yùn)行系統(tǒng)軟件，配置相關(guān)參數(shù)：串口信息（波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)）、數(shù)據(jù)庫信息（數(shù)據(jù)庫地址、賬號(hào)、密碼和數(shù)據(jù)庫名）、模塊信息（TCP模塊和GSM模塊是否打開），設(shè)置完成后，連接數(shù)據(jù)庫打開系統(tǒng)服務(wù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)超出正常的設(shè)定參數(shù)，即設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，則發(fā)送報(bào)警短信，不同異常情況發(fā)送不同內(nèi)容的短信信息，如圖7所示短信顯示溫度橙色警報(bào)，用戶可根據(jù)情況通過手機(jī)APP可遠(yuǎn)程控制設(shè)備電源的通斷，保護(hù)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室的安全。用戶刷IC卡開機(jī)/關(guān)機(jī)，根據(jù)是否有權(quán)限有刷卡開機(jī)請(qǐng)求成功或請(qǐng)求失敗二種可能，圖8所示為已授權(quán)情況下刷卡請(qǐng)求成功獲得刷卡消息。

3結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zigbee技術(shù)和RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹，系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測試，能對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備通過刷卡進(jìn)行授權(quán)使用管理；能實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度、煙霧濃度等；比照該設(shè)備設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)安全數(shù)值，超過安全數(shù)值出現(xiàn)異常情況時(shí)，在上位機(jī)系統(tǒng)服務(wù)器主界面、手機(jī)APP、手機(jī)短信都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息，提示設(shè)備使用者和責(zé)任人通過服務(wù)器或手機(jī)APP客戶端對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備異常做及時(shí)處理。應(yīng)用該管理系統(tǒng)，可將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理責(zé)任落實(shí)到具體責(zé)任人，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化管理，對(duì)快速有效管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備具有重要意義。

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作者：饒緒黎 蔡?hào)|蛟 單位：福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程系