基于物聯網的實驗設備管理系統的研制

陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，沈連豐

(東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210096)

0 引言

目前高校實驗室實驗設備的管理工作，例如設備的入庫，取用和歸還等操作均需專門人員對其相關數據進行手工的記錄和維護。為了節約資源，提高管理效率，實現智能化管理，本文已基于ZigBee和RFID技術，完成了實驗設備智能化管理系統的構建。

ZigBee 網絡符合 IEEE802.15.4［1］標準，可以實現短距離(1-100m)的無線個人局域網(WPAN)。無線射頻識別RFID(Radio Frequency IDentification)又稱電子標簽，是一種通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據的信息識別技術［2］。

本文基于上述技術，設計和實現了實驗設備管理系統軟硬件平臺，模擬實驗室設備的入庫、借出、查詢和歸還功能，實現了實驗設備的合理調配，從而達到實驗室智能化和無人化管理的目標。

1 實驗設備管理系統總體方案

為了實現設備管理系統的智能化，我們假設實驗設備具有以下配置:完整的實驗設備均為一套實驗箱，實驗箱中配備若干實驗設備模塊［3，4］。

我們提供的系統設計具有如下基本功能。

(1)為實驗箱配備具有唯一ID號的RFID標簽，作為實驗箱的識別標志;

(2)為實驗箱的每一模塊配備具有唯一ID號的RFID標簽，作為模塊的識別標志;

(3)RFID閱讀器讀寫RFID標簽的ID號，通過ZigBee網絡將讀取數據發送到主節點;

(4)主節點將數據傳送給上位機，進行數據分析、存檔和處理，實現實驗箱和模塊的入庫、借出、查詢和歸還等功能。

本文根據上述要求，構建了實驗室設備智能管理系統，如圖1所示。

圖1 實驗設備智能管理系統總體方案圖

本系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件采用的是Jennic公司的低功耗ZigBee解決方案。嵌入式開發軟件方面，采用了該公司的ZigBee協議棧作為開發環境，與C/C++的CodeBlock兼容。該開發環境提供了豐富的API接口，極大方便和簡化了開發過程。基于以上考慮，本系統選用JN5139芯片來實現物聯網主從節點的功能。上位機軟件采用了Borland公司的Delphi7進行用戶界面的設計。在數據庫方面，Delphi的特長特別突出:①適應于多種數據庫結構，從客戶機/服務機模式到多層數據結構模式;②高效率的數據庫管理能力和新一代更先進的數據庫引擎;③最新的數據分析手段且能提供大量的企業模塊。

本系統的結構和工作流程如下:①上位機通過串口與物聯網主節點相連，物聯網從節點通過串口與RFID閱讀器相連;②主從節點開機后組成網絡，RFID閱讀器將讀取的標簽ID數據通過無線傳輸給主節點，主節點再將數據轉發給上位機;③上位機收到數據以后，對數據進行分析、存儲和處理，以實現管理的各項功能。

2 硬件平臺設計

硬件平臺的設計包括兩大部分:物聯網主從節點硬件的設計和RFID閱讀系統設計。

主從節點的功能主要是組建和維護網絡，傳送RFID控制命令，返回控制命令響應以及標簽ID數據。因此，主從節點應該能夠實現簡單的數據透明傳輸。基于JN5139芯片的主從節點硬件結構如圖2所示。

圖2 實驗箱智能管理系統主從節點硬件

JN5139芯片中集成的RISC處理器，處理速度高達16MHz，可以實現數據的快速處理，因而節省了外置處理器的需要。同時，該芯片集成了RF收發裝置，能夠方便及時地發送和接收數據，以滿足ZigBee網絡中無線數據的傳輸。此外，它還附帶了UART和SPI等接口，其中SPI接口用以驅動SPI模式LCD顯示屏。對于主節點，UART作為串行接口與上位機通信，對于從節點，則直接與RFID閱讀器相連，作為RFID接入ZigBee網絡的接口。由于主節點的數據處理任務較重，系統采用了獨立電源供電，考慮到從節點的可移動性，可使用電池供電。

在本系統中，RFID讀寫模塊選用恒睿電子的RMU900+。這是一款工作于840-960MHz頻段的超小型化模塊。它集成了PLL、無線發射、無線接收、耦合器以及 MCU等部件，支持EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等協議。

3 軟件平臺設計與實現

本系統軟件主要由兩部分組成:ZigBee嵌入式軟件部分以及上位機管理系統軟件部分。其中的ZigBee嵌入式軟件完成網絡組建，無線數據傳輸等功能。上位機管理系統軟件主要完成數據的存儲，數據處理和數據庫管理等功能。

3.1 Zigbee嵌入式軟件的設計與實現

主節點開機后，先對指定信道進行能量掃描，并根據掃描結果對信道進行排序，選擇符合能量要求并且現存網絡數目最少的信道;確定信道后，選擇或者指定唯一的PAN ID作為網絡描述符，并初始化和啟動網絡;從節點開機后掃描到主節點建立的網絡，在確認主節點允許設備加入后，發出MAC關聯請求;主節點返回請求確認信息，并為子節點分配16位網絡短地址，網絡便組建成功。

上位機向主節點發送初始化RFID閱讀器命令，通過ZigBee網絡發送給從節點，從節點將接收到的命令通過串口發送給RFID閱讀器，RFID閱讀器接收到命令以后發送初始化成功的反饋消息，上位機收到以后，初始化完成。

Zigbee軟件工作流程如圖3所示。

圖3 Zigbee嵌入式軟件工作流程

3.2 上位機管理軟件的設計與實現

本系統的上位機軟件實現四項功能:新建實驗箱，查詢實驗箱，借出實驗箱和歸還實驗箱。其工作流程如圖4所示。

圖4 上位機管理軟件工作流程

(1)新建實驗箱功能

該功能模擬了物流管理中的入庫操作。為了正確地進行入庫操作，首先為需要入庫的實驗箱命名，然后利用RFID閱讀器讀取實驗箱標簽ID號;接著，分別為該實驗箱的各模塊命名，讀取模塊標簽ID;當所有的模塊標簽數據被錄入，一套完整的實驗設備便完成了入庫操作。與此同時，所有數據被存儲在數據庫中。

(2)查詢實驗箱功能

該功能模擬了物流管理中的查詢操作，包括檢測實驗箱，查看所有實驗箱，查看在庫實驗箱，查看借出實驗箱。為了檢測實驗設備的完整性，需要對實驗設備進行逐個檢測。首先掃描待檢測的實驗箱標簽，當識別為實驗箱時，系統會提示當前實驗箱的當前狀態，包括實驗箱名稱ID，模塊數目，是否借出以及借用人名稱;然后，檢測當前實驗箱中的模塊，若正確地檢測到實驗箱模塊，系統會給出模塊相應的狀態信息。

查看所有、在庫和借出實驗箱的功能用于檢查當前庫存信息，以便有效地管理所有實驗箱資源。

(3)借出實驗箱功能

該功能模擬了物流管理中的出庫操作。為了將實驗箱借出，首先需要對借出實驗箱進行檢測，以保證實驗設備在借出時的完整性和可用性，該過程與“查詢實驗箱”中的“檢測實驗箱”子功能類似。在完成了實驗箱和設備的檢測以及借用人確認身份以后，可以順利地借出整套實驗箱。

(4)歸還實驗箱功能

該功能模擬了物流管理中的歸還操作。為了保證實驗設備在歸還時的完整性和可用性，首先需要對歸還的實驗箱進行檢測，該過程與“查詢實驗箱”中的“檢測實驗箱”子功能類似。在完成了檢測后并確認借用人身份后，可以將實驗箱歸還入庫。

3.3 數據庫管理

本系統中處理的數據主要為實驗箱和模塊的名稱、ID號和狀態等信息，采用了Microsoft SQL Sever 2000來管理數據庫。其中包括兩個最重要的數據表:一個數據表用來記錄實驗箱名稱、ID號、模塊數目、在庫狀態和借用人信息。另一個數據表用來記錄模塊名稱、ID號、所屬實驗箱ID號、在庫狀態和檢測狀態信息。使用實驗箱ID號作為關聯這兩個表的關聯鍵值。

Delphi提供了ADO、ODBC和BDE三種數據庫訪問方式，本系統的使用的是ADO技術。利用Delphi封裝的ADO接口，可以簡單有效地管理數據庫數據。

4 系統測試

在硬件和軟件平臺基礎上，我們測試了本管理系統，系統運行界面如圖5所示。主界面顯示了系統的硬件結構圖，點擊面板上“系統初始化”可以完成串口和RFID閱讀器的初始化，點擊各功能按鈕可以打開窗口進行相應操作。在操作過程中，可以實時查看當前數據庫中實驗箱和模塊的各項信息。

實驗結果表明，本系統充分利用ZigBee無線網絡的短距離，低功耗，組網效率高，傳輸穩定的特點，結合RFID無線識別功能，結合RFID無線識別功能，能夠有效地規范和管理實驗設備的使用。能夠在實驗設備的無人化管理方面發揮一定的作用。

圖5 實驗設備智能管理系統界面

5 結語

本文設計和實現了一種基于物聯網技術的實驗設備智能管理系統，充分利用了ZigBee無線網絡，RFID無線讀寫系統，數據庫系統等技術的特點。該套實驗管理設備管理系統已經在若干高校的實驗室進行了實際應用，有效地實現了實驗設備的智能化管理。

本文提出的智能化管理概念對其它物聯網應用系統地有借鑒作用，可以擴展到圖書管理，超市貨物管理等方面。

［1］ “IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements，Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”.IEEE Comupter Society，New York，2003

［2］ J Y.Wang，H.Min，W.He.Design of Logistics-oriented RFID System.Computer Engineering and Applications，vo1.43，no.8，pp，22-33，2007

［3］ 劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯網教學實驗系統的設計與實現［J］.南京:電氣電子教學學報，2010年第06期

［4］ 王艷秋，曾維魯，岳宇君.ZigBee技術在倉儲管理中的應用［J］.成都:通信技術，2008，41(11):205-207