Zigbee技術的實驗設備管理范文

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摘要：

將zigbee技術與RFID無線射頻識別技術結合，設計一個實驗設備管理系統(tǒng)，提供一個智能管理平臺，對實驗室內(nèi)的設備進行統(tǒng)一管理和維護；監(jiān)控實驗室設備日常運行的指標，對于異常情況，發(fā)送報警短信至設備責任人及當前使用者做相應處理；通過系統(tǒng)測試，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

關鍵詞：

Zigbee技術；RFID；實驗設備；管理系統(tǒng)

隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的企業(yè)、教育機構、政府機構都配備了各自的實驗室，伴隨而來的是大量的實驗室設備，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驗設備的管理問題。及時有效地掌握設備的運維狀況和設備的使用信息，可以最大限度避免實驗設備使用者對設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，以加大對實驗室設備的管理，避免不必要的經(jīng)濟損失。目前，大多數(shù)的實驗室采取的設備管理方式只針對設備使用人員進行，在使用設備時，僅僅只是對使用者進行簡單的登記，并沒有太多的約束作用，不能做到實時控制實驗室設備的情況。因此，搭建一個實驗室設備管理平臺就顯得很有必要，良好的平臺可為每一個實驗室服務，實時監(jiān)控實驗室中設備運行情況，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的安全數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)設備異常并通知相關人員處理，多方位控制實驗室設備運行，多渠道通知設備異常，快速有效實施實驗室設備管理，減少因人為過失等不必要原因造成的設備損失及安全事故。

1系統(tǒng)設計

1.1整體結構設計基于RFID和Zigbee技術的實驗設備管理系統(tǒng)包括設備智能管理節(jié)點、Zigbee通信網(wǎng)絡、管理系統(tǒng)服務器和GSM手機端四個部分。設備智能管理節(jié)點與某一個對應的實驗設備綁定，每個節(jié)點上集成RFID讀卡器模塊、Zigbee無線通信模塊、繼電器模塊和傳感器模塊。多個設備智能管理節(jié)點使用Zigbee無線通信自組網(wǎng)技術構成一個多跳無線通信自組網(wǎng)，每個設備智能管理節(jié)點即作為信息采集終端節(jié)點又作為信息中轉Zigbee路由節(jié)點，各個設備智能管理節(jié)點采集的信息經(jīng)過多跳傳輸后，最終通過Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送給管理服務器。管理服務器端對采集到的數(shù)據(jù)處理和分析，通過其USB接口轉串口連接GSM短信Modem，采用SMS短消息的方式，推送實驗設備管理系統(tǒng)的設備異常告警信息，和接收GSM手機端發(fā)來的控制指令。GSM手機端安裝自主開發(fā)的控制APP軟件，用于顯示從管理服務器端發(fā)來的實驗設備狀態(tài)信息，并反向遠程控制設備智能管理節(jié)點，通過終端節(jié)點上的繼電器模塊控制實驗設備電源，以達到遠程智能監(jiān)管和控制實驗設備目的。其系統(tǒng)整體結構設計如圖1所示。

1.2節(jié)點硬件設計節(jié)點硬件設計主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器和設備智能管理控制節(jié)點硬件設計。Zigbee協(xié)調(diào)器根節(jié)點主芯片使用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體的ZB260模塊，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃浴ＴO備管理控制節(jié)點采用STM32W108無線Zigbee芯片，其集成了一個經(jīng)過優(yōu)化的ARMCortex-M3微處理器，支持非特權操作和特權操作。其中非特權操作允許程序員調(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。特權操作主要用在Zigbee協(xié)議棧軟件，非特權操作則用于應用軟件。節(jié)點硬件設計結構如圖2所示。其中傳感器模塊負責監(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的采集器件[4]。RFID讀卡器模塊負責對實驗人員的身份識別，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，采用先進的調(diào)制和解調(diào)技術，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動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動天線與應答機的通信。接收器部分通過調(diào)制解調(diào)電路來處理應答器信號，數(shù)字部分負責奇偶校驗、CRC冗余等錯誤檢測及ISO14443A幀處理。設備智能管理控制節(jié)點作為整個系統(tǒng)里面功能實現(xiàn)最直觀模塊，節(jié)點設計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；二是能夠通過傳感器實時采集設備信息；三是驅動RFID射頻讀卡器，讀取實驗設備用戶IC卡信息；四是將IC卡用戶身份信息、傳感器設備狀態(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，在服務器端處理后，接受服務器通過協(xié)調(diào)器發(fā)回的信息，通過這些信息做出響應，驅動繼電器模塊控制所連接的實驗設備。

1.3Zigbee網(wǎng)絡設計多個設備智能管理節(jié)點通過Zigbee自組網(wǎng)功能組建一個多跳無線傳感器網(wǎng)絡，當Zigbee協(xié)調(diào)器啟動建立網(wǎng)絡完成后，允許其它路由和終端節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，節(jié)點申請加入Zigbee網(wǎng)絡時，先進行節(jié)點掃描，將符合協(xié)議規(guī)定的設備信息儲存起來，并從這些設備中選取最合適的節(jié)點作為父節(jié)點嘗試連接，當連接成功，父節(jié)點會為子設備分配一個在網(wǎng)絡中唯一的標識。除協(xié)調(diào)器節(jié)點外，子節(jié)點都以路由器的形式加入到網(wǎng)絡中，增加網(wǎng)絡的覆蓋范圍和靈活性。圖3為路由節(jié)點的入網(wǎng)流程圖。設備智能管理節(jié)點開始工作后，當用戶需要使用設備刷卡時，從RFID射頻讀卡器上讀取用戶授權卡號信息，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)服務端。服務端部分完成數(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)往相應節(jié)點，終端節(jié)點根據(jù)服務器端的返回信息作出響應。圖4為Zigbee節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

1.4管理系統(tǒng)服務器設計如圖5所示，管理系統(tǒng)服務器由三個模塊共六個線程組成，各模塊相對獨立，又由數(shù)據(jù)相互關聯(lián)。三個模塊各自分工明確：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)，按照給定的格式對由串口收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，按照既定規(guī)范，將數(shù)據(jù)轉發(fā)給TCP模塊、主界面、GSM模塊，并統(tǒng)一由數(shù)據(jù)處理線程對數(shù)據(jù)庫進行設備運行相關的數(shù)據(jù)庫讀寫操作，同時定時監(jiān)控設備是否長時間未發(fā)送信息，若時間超過指定時長，則認為該設備處于離線狀態(tài)。主界面顯示設備當前運行狀態(tài)，并可對系統(tǒng)參數(shù)進行設置，主要功能有：顯示存在數(shù)據(jù)庫中的設備，并顯示在線設備運行狀態(tài)；進行系統(tǒng)相關參數(shù)設置（串口設置、模塊設置、數(shù)據(jù)庫連接設置），設置信息保存于本地，當下次打開系統(tǒng)的時候自動讀取相關參數(shù)，打開系統(tǒng)；查看設備歷史使用記錄，讀取數(shù)據(jù)庫相關表，獲得設備歷史運行狀態(tài)，包括報警記錄等；添加用戶、設置用戶使用設備權限；修改設備運行參數(shù)。GSM模塊，將緩存區(qū)數(shù)據(jù)解析發(fā)送至相應手機短信，主要是為了多方位的通知設備責任人及設備使用者，告知設備的異常狀況，主要實現(xiàn)以下功能：將指定的報警信息發(fā)送至設備責任人及設備使用者（若無當前使用者，則發(fā)送給設備責任人）；接收由設備責任人或設備使用者發(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，快捷地遠程管控設備。由于系統(tǒng)預設是實時運行的，而各設備智能管理節(jié)點的默認參數(shù)都是相同的，所以在使用節(jié)點前需要對節(jié)點進行初始化工作，將設備智能管理節(jié)點按照需求進行初始化，節(jié)點相關信息錄入數(shù)據(jù)庫，使設備接入系統(tǒng)時能正常運行。數(shù)據(jù)庫存儲用戶信息、設備參數(shù)、設備使用信息、設備權限信息、設備環(huán)境狀態(tài)信息、設備異常信息等。

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USB線連接協(xié)調(diào)器，并安裝USB轉串口驅動；2)使用串口轉USB線連接GSM模塊；3)打開設備智能管理節(jié)點；4）開啟上位機管理系統(tǒng)；5)配置管理系統(tǒng)相關運行參數(shù)。測試時，打開SQLServer數(shù)據(jù)庫服務，導入相關數(shù)據(jù)庫；運行系統(tǒng)軟件，配置相關參數(shù)：串口信息（波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗）、數(shù)據(jù)庫信息（數(shù)據(jù)庫地址、賬號、密碼和數(shù)據(jù)庫名）、模塊信息（TCP模塊和GSM模塊是否打開），設置完成后，連接數(shù)據(jù)庫打開系統(tǒng)服務，數(shù)據(jù)經(jīng)由協(xié)調(diào)器轉發(fā)至服務器，獲得數(shù)據(jù)。當超出正常的設定參數(shù)，即設備出現(xiàn)異常時，則發(fā)送報警短信，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，用戶可根據(jù)情況通過手機APP可遠程控制設備電源的通斷，保護設備與實驗室的安全。用戶刷IC卡開機/關機，根據(jù)是否有權限有刷卡開機請求成功或請求失敗二種可能，圖8所示為已授權情況下刷卡請求成功獲得刷卡消息。

3結束語

設計了一個基于Zigbee技術和RFID技術的實驗設備運行管理系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結構設計、節(jié)點硬件設計、Zigbee網(wǎng)絡設計和管理系統(tǒng)服務器設計做了詳細介紹，系統(tǒng)經(jīng)實際運行測試，能對實驗室的設備通過刷卡進行授權使用管理；能實時采集實驗室內(nèi)設備的環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度、煙霧濃度等；比照該設備設定的相應參數(shù)安全數(shù)值，超過安全數(shù)值出現(xiàn)異常情況時，在上位機系統(tǒng)服務器主界面、手機APP、手機短信都會產(chǎn)生相應的報警信息，提示設備使用者和責任人通過服務器或手機APP客戶端對實驗室設備異常做及時處理。應用該管理系統(tǒng)，可將實驗室設備的管理責任落實到具體責任人，并對設備進行遠程智能化管理，對快速有效管理實驗室設備具有重要意義。

參考文獻

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作者：饒緒黎 蔡東蛟 單位：福州職業(yè)技術學院網(wǎng)絡工程系