基于RFID與ZigBee技術的智能高校實驗室開放管理系統

摘要：為了實現高校實驗室高校開放式管理與運行，提出了一種智能高校實驗室開放管理系統。該系統將人員識別及門禁管理、儀器設備管理和視頻監控功能集成到統一網絡管理平臺，進而與校園一卡通、校園教務系統組成一個實驗室開放信息化管理體系系統。主要介紹系統整體拓撲結構，對實驗室讀卡監控分站進行了軟硬件設計，分站通過RFID實現與校園一卡通及儀器設備標簽的通訊，通過ZigBee實現同上位機的通訊。此系統實現人員預約管理、儀器設備管理及視頻監控功能，可以為高校實驗室開放管理提供信息化保障。

關鍵詞：高校實驗室；開放管理系統；RFID；ZigBee

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0170-02

就目前看來，很多院校都建立了開放型實驗室，給予學生提高實踐、設計能力的條件，但同時由于進行實驗的人員、時間的不確定性，實驗儀器的安全性，給實驗教學和資產安全管理增加了很大困難，也增加了教師的值班工作量和工作強度，在某種程度上制約了開放型實驗室的建設與發展。為了跟進科學技術發展進程，實驗室的運行管理也將逐步實現信息化和網絡化，實驗室人員預約、設備管理、安全監控等方面均將實現無人監控運行。雖然在部分高校已經開始嘗試使用射頻識別技術結合身份識別卡來智能管理實驗室的常規運行，然而，仍然存在著一些沒有考慮到的問題，比如實驗室讀卡器分布廣泛，擴展布線困難、實驗室管理系統獨立運行于校園安全管理系統之外，無法做到精確的實驗教學安排和課外實驗擴展功能，同時，實驗室儀器設備的使用安全監控也依然是高校智能實驗室討論的熱點。本論文基于ZigBee無線組網技術和RFID射頻識別技術來實現一種智能實驗室管理系統，提出將實驗室人員管理門禁讀卡系統、儀器設備管理系統和實驗室視頻監控系統統一起來的設計方案，為高校實驗室的管理與監控提供一種實現思路。

一、系統整體功能

1.實驗室開放預約系統

開放式實踐教學，識別卡與校園卡綁定，通過RFID技術完成持卡人識別過程，門禁控制來實現校園網絡實驗室預約使用功能。實驗室管理系統與校園卡綁定，內部信息關聯，系統讀卡器與校園卡發射接收頻率一致。當學生或教師需要進入實驗室學習時，可以持校園卡與讀卡器通信，通過RFID技術識別卡片信息，讀卡器會從實驗室內部的上位機數據庫中提取信息，與卡片信息相匹配，實驗室開門并記錄實驗室使用情況。

2.實驗室儀器設備信息化管理

在實驗室貴重儀器設備上粘貼無源RFID標簽，保證實驗室設備的存放安全。在實驗室貴重儀器設備上粘貼無源RFID標簽，保證實驗室設備的存放安全。在實驗室門口會放置RFID標簽識別器，一旦發現粘貼有無源RFID標簽的儀器被拿出實驗室，會立刻發出警報，并報告到實驗室管理辦公室。

3.視頻監控功能

監控設備自動監控實驗室內錄像信息，通過RS485總線上傳到協調機統一匯總，管理員可以通過PC上位機軟件調用監控錄像查看實驗室運行狀況。

二、系統整體設計

1.整體拓撲結構

整個系統采用了分支式的總體結構，共有3層硬件，如圖1，第一層硬件稱為協調機，負責協調匯總下層各讀卡器節點的信息同時向PC端軟件上傳當前信息，同時接受PC端軟件發來的指令從而來控制下層各節點的工作；第二層硬件稱為讀卡器節點，通過近距離識別射頻信息來獲得當前刷卡人（或儀器設備）標識卡中的數據并上傳到協調機；第三層硬件是傳感器層，包括標識卡識讀芯片CC2420和電磁門禁鎖繼電器在內的一系列傳感器節點及執行機構，通過采集實驗室的各種信息并上傳到讀卡器控制器。同時，攝像頭可以監控實驗室當前情況，可以選用市面主流設備，不是本文研究的重點。

協調機與PC機之間的通信采用了以太網通信方式，實現了信息傳輸速度快，出錯率少等特點。而考慮到實驗室各門禁系統的分散性，我們選擇了ZigBee技術作為各讀卡器節點與協調機之間的通信，該技術的突出特點見前述。底層傳感器芯片（裝置）與讀卡器節點之間的通行采用IIC通信，將采集到的信息與節點指令實時快速的傳輸。射頻識別芯片與識別卡之間采用RFID讀卡技術，非接觸即時識讀并能做到99.5%以上的容錯率。[2]

2.系統通信方式

（1）ZigBee技術。ZigBee（也稱紫蜂）是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議，底層采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層。該技術具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本等優點，是目前嵌入式應用的一大熱點，它支持三種主要的自組織無線網絡類型，可實現點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備數據傳輸，實現高效的無線網絡組網功能。[1]

由于本設計是為適應實驗室各個教室改建過程中的布線復雜問題，所以采用該技術可以繞過布線的問題，將成本和建設難度縮小，同時通過ZigBee通信技術可以實現高效的實驗室門禁組網。

ZigBee通信的握手協議如圖2：

（2）RFID技術。RFID技術，又稱射頻識別技術，是一種可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸的無線通信手段。該技術具有掃描快速、耐久性強、可重復使用、高穿透性和無障礙閱讀的特點。

RFID技術在讀卡識別領域應用特別廣泛，而且現如今高等院校均開發校園一卡通服務，我們可以將實驗室預約使用和校園一卡通綁定，實現智能實驗室的管理；在設備方面，無源識讀卡可以實現設備的安全管理。

3.協調器硬件設計

讀卡分站與協調器的微控制器均選用Luminary Micro公司設計生產的Stellaris系列32位ARM Cortex M3 族控制芯片，如圖3。其中讀卡分站選用LM3S811型號芯片，該控制器支持最高50MHz的時鐘頻率，內含2個完全可編程的16C550類型UART接口，以及最高傳輸速率400kbps的IIC通信接口，而為了獲得較高的處理性能和高速信息傳輸，在協調器上選用了LM3S9B96型號芯片，芯片開發板配置有網絡配置芯片及標準網絡接口，可以實現網絡信息交換。

ZigBee芯片選用Chipcon公司推出的CC2420芯片，采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式，數據速率達到250kbps，工作于免授權的2.4GHz頻段，可確保短距離通信的有效性和可靠性，該芯片硬件成本低，功耗小，具有安全可靠、組網靈活、抗毀性強的特點，可以實現多對多的快速組網性能。

CC2420芯片可以同時做到處理多個其他的CC2420芯片發來的信息，并交替向控制芯片傳輸信息，故在讀卡器節點少于6的情況下在協調器上只需要1個CC2420即可，實測數據表明，當讀卡器節點均處于工作狀態時，協調器的信息處理延遲僅為3.5ms，基本可以滿足在短時間內（刷卡期間）的信號處理。

4.讀卡分站硬件設計

讀卡分站選用LM3S811型號芯片，ZigBee芯片選用CC2420，如圖4選型原則見2.2部分。校園卡為無源近距離接觸式識別卡，考慮到門禁系統中進出持卡人員對系統識別距離的要求，結合系統的讀取速度、成本、以及對環境的敏感度等，系統采用13.56MHz的頻段（該頻段在其他領域已經得到了廣泛應用，技術成熟性高），感應距離5-10cm。[3]

三、軟件設計

1.讀卡器節點程序設計

讀卡器節點的程序通過C語言來編寫，編譯軟件為KEIL 4。軟件流程圖如圖5。軟件主要模塊分為：芯片初始化程序、CC2420控制程序（SPI）、MF RC500控制程序（IIC）及預約判斷程序、電磁門禁鎖繼電器控制程序（I/O）、視頻監控程序（I/O）、LCD控制程序（I/O）、FLASH控制程序。MF RC500芯片接到控制芯片的中斷控制引腳，從而在中斷程序中寫入標記變量，在每次刷卡后觸發處理器中斷來置位標記標量，從而開啟讀卡器節點的各項功能，電磁門禁鎖與視頻監控利用控制芯片中的定時器來指定定時時間，在定時結束后關閉相應功能。

讀卡器節點會接收到在指定時間時發來的合法預約卡號，在識讀到刷卡信息后，將刷卡卡號與合法預約卡號進行對比，如果能找到匹配的卡號，則執行門禁鎖控制程序，如果沒有匹配到合法的卡號，則拒絕放行，并在LCD上顯示提醒信息。

2.協調器程序設計

協調器的程序通過C語言編寫，編譯軟件為KEIL 4。該部分軟件部分的主要模塊為：芯片初始化程序、CC2420控制程序（SPI）、UART串口通信程序、網口驅動芯片控制程序。協調器處于實時工作狀態下，軟件每2ms向CC2420發送檢測信號，來檢測當前CC2420芯片引腳的輸入信號是否有效，在有效的情況下，接收有效信號并同時將采集信號進行處理。

同時，協調器會將校園網服務器上的實驗室預約情況下載到協調器的內存中，并在指定的時間內將預約信息下載到讀卡器內存中，實現讀卡器刷卡匹配的問題

3.上位機程序設計

PC端軟件我們通過C++來編寫，編譯軟件為Visual studio 2012。上位機軟件通過軟件篩選有用信息，通過直觀的圖像和符號來表示當前的實驗室管理狀況，管理員可以通過設置相關參數來控制讀卡器節點來實現遠程控制，進而做到智能實驗室控制系統的目的。

PC端軟件可以實現以下一些基本功能：

顯示當前正在工作的讀卡器節點與待機的讀卡器節點

查看調用指定實驗室攝像頭的近期采集錄像

查看調用指定實驗室讀卡器近期的刷卡記錄，在管理員權限下可以查看刷卡人信息

設置讀卡器節點控制一次識讀過程的時間間隔，在指定間隔之后關閉門禁鎖及攝像頭

設置實驗室的開放時間，在指定使用時間區間外刷卡無法進入實驗室

四、結語

該系統將無線通信技術應用到了實驗室信息化管理的領域中來，可以高效率的管理高校實驗室的開放使用和安全監控，ZigBee技術在整個系統中的應用可以擴大系統的使用范圍，減輕實驗室改造的難度；將校園教務系統、校園一卡通系統、儀器設備管理系統、實驗室視頻監控系統與實驗室信息化管理相結合，是當前智能實驗室開放運行的一種可行方案。

參考文獻：

[1]馬洪連.嵌入式電路設計教程[M].北京：電子工業出版社，2013.

[2]戴敏.基于Zigbee技術的無線門禁系統設計[J].維計算機信息，

2011，27（3）：87-88.

[3]潘海軍.實驗室門禁考勤系統的設計[J].現代電子技術，2007，

（20）：102-104.

[4]謝新華.基于RFID技術的實驗室門禁系統設計[J].計算機工程應用技術，2008，（1）.

（責任編輯：韓曉英）