基于ZigBee技術的開放性實驗室管理系統設計

葉恒校 王慶泉 何鵬飛 項偉凱

（嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

近年來，為培養學生的創新意識和綜合素質，引導學生的自主學習，使學生科技活動大眾化、日常化，我院陸續建立了機械設計創新基地、電子信息創新實驗室等開放性實驗室，為學生自主開展科學研究和科技競賽活動提供了實驗室空間和資源。但與教學型實驗室相比，開放性實驗室的人員和設備流動性較大，開放時間長，增大了實驗室管理人員的設備管理工作量和安全監管難度。因此，如何實現實驗室全方位開放和實驗室安全高效的管理已成為實驗室管理人員亟待解決的重要問題。在此背景下，本文基于ZigBee無線網絡，結合超高頻射頻識別（UHF RFID）技術設計出能夠通過互聯網進行遠距離監控的開放性實驗室設備管理系統[12-14]。系統將ZigBee網絡與以太網結合，使用RFID完成對實驗室現場的監控，能夠對實驗室設備進行全生命周期的跟蹤和定位，實現了對實驗室安全的自動化監控，從而有效提高了開放性實驗室設備管理的效率和實驗室智能化管理水平，滿足了實驗室設備管理和安全管理對實時性和便捷性的要求。

1 系統總體結構設計

系統由粘貼在設備上的電子標簽、ZigBee終端節點 （RFID讀寫器/閱讀器）、ZigBee路由節點、ZigBee協調器 （ZigBee/Ethernet網關）、應用管理服務器等幾部分組成[6]，系統總體結構圖如圖1所示。

電子標簽采用超高頻無源射頻標簽[15]，內部貯存設備的編號、規格型號、維修記錄、存放地點、價格等相關信息。終端節點的超高頻RFID讀寫模塊讀取輻射范圍內的電子標簽的數據，經由板載的ZigBee射頻模塊把RFID采集的設備信息發送給ZigBee網關//協調器。終端節點同時接收來自ZigBee協調器的控制信息并傳輸給RFID讀寫模塊。根據工作方式劃分，終端節點又可劃分為固定式RFID讀寫器和手持式RFID讀寫器兩類[5]。其中，固定式RFID讀寫器分布在各個實驗室入口處，主要負責設備出入定位，手持式RFID讀寫器用于日常設備巡檢和電子標簽管理。ZigBee網關/協調器安裝于ZigBee無線傳感網和以太網之間，收集來自各終端節點的數據，并將數據通過以太網傳遞給以太網中的應用管理服務器。通過網關實現了ZigBee數據包和以太網 TCP/IP數據包的透明傳輸，用戶無需訪問無線傳感網中的各個終端節點就可以收集相關設備數據。應用管理服務器負責通過以太網接口接收來自ZigBee網關/協調器節點上傳輸來的設備數據，并保存在服務器中的數據庫中。同時服務器通過以太網向ZigBee網關/協調器節點發出用于控制RFID讀寫模塊的命令。另一方面，服務器提供局域網web服務，方便實驗室管理人員通過訪問服務器查看設備記錄數據庫[7]。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

系統硬件包括ZigBee網關/協調器、ZigBee路由節點、終端節點。

2.1 ZigBee網關/協調器設計

ZigBee網關/協調器由以下部件構成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射頻通信板、擴展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、復位電路、時鐘電路和調試電路等，構成微控制器最小系統。EMZ3118射頻通信板實現ZigBee網絡中協調器節點功能。EMZ3118是上海慶科公司生產的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可編程應用模塊，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無線解決方案，其發射功率達到100mW，發射距離遠，信號穩定，可滿足低成本的無線傳感網需求。采用該模塊降低了使用STM32W108芯片時硬件設計的難度。擴展底板上包含電源電路、以太網接口電路、液晶驅動電路、鍵盤接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口結構

EMZ3118整合了ZigBee射頻(RF)前端，帶有外部射頻功率放大器，最大傳輸功率輸出在-7～20dbm之間可編程，其視野范圍內最大傳輸距離可達1.6km，RF數據速率250kb/s。模塊有36個輸出引腳，其中有24個GPIO輸出端口引腳，4個中斷端口引腳，6路12位A/D端口引腳，支持兩路串行接口（UART/SPI/I2C）。設計中EMZ3118模塊通過SPI接口與STM32F107VCT連接。模塊的外部功放是通過STM32F108W的4個引腳來控制，其中PA3口控制外部功放電源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模塊發射/接收操作模式，PA7控制輸出天線接口類型。

2.1.2 以太網接口電路

網關主控制器STM32F107VCT內部已集成介質訪問控制器(MAC)，支持 10M/100M 的以太網通信，提供了MII和 RMII兩種接口模式。設計中主控芯片需要通過外部物理層接口芯片才能連接到物理層LAN總線。設計中使用DP83848VV，該芯片是TI公司生產的全功能低功耗10M/100M單端口物理層接口芯片。為了簡化設計，設計中主控芯片和DP83848VV間采用RMII接口模式，這樣RMII數據收發上比MII接口少了一倍的信號線。RMII接口模式下要求的50M總線時鐘則由外部有源晶振SM7745DEV提供。網關與外部以太網通信還需要RJ－45接口，設計中選用了漢仁公司的網絡變壓器HR911105A，該網絡變壓器集成了網絡變壓器和RJ－45接口，可滿足IEEE 802.3的電氣隔離要求，解決前端信號因衰減、損耗等原因引起的數據丟包、傳輸中斷等問題，從而有效保障了無失真傳輸以太網信號，并抑制輻射發射。

2.1.3 人機交互接口電路設計

人機接口包括4個通用彩色LED指示燈，帶選擇鍵的4向操作桿，通用按鍵、喚醒鍵和入侵檢測按鍵，帶觸摸屏的3.2“TFT彩色LCD顯示屏。LCD顯示屏采用AM-240320D4TOQW，內置驅動器ILI9320，分辨率240(RGB)×320像素，可選SPI串行數據接口和18位RGB并行數據接口。設計中數據接口采用SPI接口，觸摸屏的4位數據接口通過外部I/O擴展芯片STMPE811連接。

2.2 ZigBee終端節點設計

ZigBee終端節點由主控制器、超高頻RFID讀寫單元、ZigBee射頻單元、液晶驅動、溫濕度傳感器、鍵盤、調試電路等組成。基于成本考慮，終端節點的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射頻單元和人機交互電路與網關采用相同設計。設計中主控制器通過ZigBee無線接口接收服務器發送的指令并解析，實現對超高頻RFID讀寫單元的控制和操作，同時將超高頻RFID讀寫單元所采集的信息無線傳輸給服務器。因此，終端節點設計中超高頻RFID讀寫單元是設計中的重點和難點。

2.2.1 超高頻RFID射頻電路設計[8-9]

RFID射頻模塊采用超高頻RFID讀寫器專用芯片AS3993[3]。AS3993是奧地利微電子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID閱讀器芯片，實現了完備的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C標準，在直接閱讀模式下兼容ISO 18000-6A/B標準。該芯片集成度高，集成了模擬前端和底層協議處理，內置壓控震蕩器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收靈敏度達到90dB，支持跳頻、數據底層傳輸編解碼、數據組幀和循環冗余校驗，具有低功耗的特點，并且對由天線反射回波等引起的干擾具有免疫效果。這對本文中移動式巡檢器和固定式閱讀器的設計極其重要。因為在RFID讀寫器設計中，天線設計經常遭受成本或尺寸限制。高靈敏度可使RFID讀寫器設計在達到自身要求的同時，可以使用更簡單和便宜的天線，從而降低了系統成本和設計難度。本文設計中把以AS3993為核心的閱讀器模擬前端設計成模塊，這樣模塊可以很方便的與控制器STM32F103通過SPI接口實現數據交互。

2.2.2 傳感器電路設計

終端節點的溫濕度傳感器和光強傳感器用于檢測實驗室的環境參數。設計中溫濕度傳感器采用SHT11，其內置14位AD，串行數字輸出，相對濕度精度達到±3RH，溫度測量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口與控制器通訊。光強傳感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中斷輸出接口，可編程設置光強度上下閥值，其模擬增益和數字輸出可程控控制，適用于實驗室光照控制和安全照明的應用。

3 ZigBee無線組網策略[11]

ZigBee 有星型（Star）、樹型(Cluster Tree)和網狀（Mesh）三種組網方式。考慮到各個開放實驗室分布在同一樓層的不同房間，覆蓋面廣，并且距離相距較遠，需要ZigBee網絡能夠覆蓋整個樓層，并具有較遠的通信距離，同時要求ZigBee具有較高的可靠性和健壯性。綜合考慮三種組網方式的優缺點，設計中采用網狀拓撲結構組網。各個安裝在實驗室出入口的固定式閱讀器的ZigBee節點全部作為全功能設備，與分布在實驗室內的各路由節點組成的的網狀拓撲結構覆蓋了整個樓層，提高了網絡的可靠性和覆蓋范圍，便于移動式巡檢器在整個樓層范圍內的可靠有效工作。

4 系統軟件設計

4.1 網關軟件設計

網關軟件采用uCOS-II嵌入式實時操作系統，主要包括系統和外圍模塊底層驅動、網關應用層協議和應用程序設計等部分。根據網關的功能需求，應用程序劃分為系統驅動和控制任務、文件管理任務、人機交互任務、Zigbee組網任務、WSN通信交互任務、以太網通信交互任務、協議轉換任務等，由uCOS-II內核統一調度管理。

4.2 終端節點軟件設計

終端節點負責RFID設備數據和溫濕度數據采集，實時將采集到的數據回傳網關。軟件可劃分為主程序和底層驅動程序。。系統上電后，首先對硬件進行初始化設置，主要包括對AS3993工作模式、輸出功率等參數的設置，以及對Zigbee模塊的初始化設置。隨后請求加入Zigbee無線網絡，獲準后控制AS3993發出讀寫標簽命令，掃描是否有標簽處于有效區域內。如果有效區域內有多個標簽存在，則啟用時隙隨機防碰撞算法，讀取單標簽有效數據。接著讀取終端節點的溫濕度傳感器的數據，最后把讀取的數據回傳到網關。底層驅動程序實現了AS3993和EMZ3118模塊的SPI接口驅動。上層應用程序通過接口函數實現對AS3993和EMZ3118模塊的各種操作。

5 系統性能測試

系統布置5個固定式RFID閱讀器節點和1個移動式RFID閱讀器節點，5個路由節點、1個協調器和一臺應用服務器，在我校機械設計創新基地、電子信息創新實驗室進行了性能測試。5個固定式RFID閱讀器節點分布在5個實驗室入口處，采用 3.3 V穩壓電源供電，固定式節點中的Zigbee模塊設置為全功能設備，可作為路由節點。移動式閱讀器節點采用3V電池供電。4個路由節點分布在同層樓道，每個路由節點相距40米，1個路由節點布置在監控室。通過測試，終端節點與路由節點的的最大無丟包通訊距離達到70米，100米范圍內丟包率小于2%。在10米范圍內，可以無丟包穿過普通墻壁和房門的阻擋。RFID閱讀器的讀寫距離在無遮擋條件下達到5米，可以滿足實驗室日常設備定位的需要。在移動時巡檢設備中，可以在3米范圍內防碰撞對單一設備標簽進行讀寫操作，滿足移動巡檢設備需要。分布在各個實驗室的溫濕度傳感器和光強傳感器實時監測實驗室環境參數的誤差滿足設計要求。

6 結束語

本文將ZigBee網絡與以太網結合，使用RFID完成對實驗室現場的監控，能夠對實驗室設備進行全生命周期的跟蹤和定位，實現了對實驗室安全的自動化監控，從而有效提高了開放性實驗室設備管理的效率和實驗室智能化管理水平，滿足實驗室設備管理和安全管理對實時性和便捷性的要求。通過系統性能測試，驗證了設計的有效性和可行性，可為其他兄弟院校的實驗室智能管理提供借鑒和參考。

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