基于ZigBee智慧實驗室系統的設計

高永清，商 丹

（1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 065201；2.中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024）

基于ZigBee智慧實驗室系統的設計

高永清1，2，商 丹1

（1.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 065201；2.中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024）

首先對目前國內外室內物聯網應用的現狀進行了調查，分析了室內物聯網技術在實驗室建設和管理應用中的實用性和可行性。提出了智慧實驗室的概念和智慧實驗室系統的整體框架，整個系統由實驗室資產管理子系統、實驗室視頻監控子系統、實驗室網關和上位機系統4個模塊組成。分別介紹了系統各個模塊的功能，并對整個系統進行了設計。最后對所設計的系統進行了性能測試，測試結果表明該系統實現了對實驗室管理的科學化、現代化及信息化，提升了實驗室管理的智能化水平，對“智能家居”和“智慧城市”的發展建設有重要的借鑒意義和參考價值。

無線傳感器網絡；智慧實驗室；RFID；ZigBee

1 智慧實驗室

物聯網技術通過射頻識別（Radio Frequency Identifica?tion，RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種新型網絡技術。

人類社會進入21世紀后，物聯網技術在國內的不斷發展和成熟，出現了智能家居[1]、智能建筑[2]、智慧小區[3]、智慧城市[4]和智慧地球[5]的概念，與此同時，越來越多的商業公司、甚至政府部門都在該領域大力設計研發相應的產品。本文將智能家居的思想理論與結構模式引入到實驗室建設與管理中來，提出了智慧實驗室的概念。“智慧實驗室”是指在一個實驗室的范圍內將多個物品采用計算機網絡技術、通信技術以及圖形顯示技術等將其功能化、網絡化和智能化，建立一個由實驗室管理中心、信息通信服務以及實驗室智能化系統組成的“三合一”智慧實驗室集成系統。在智慧實驗室系統中通過綜合配置各個智能化子系統，為實驗室管理部門提供高效、便捷的管理手段和方法。

所謂室內物聯網系統[6]是指在物聯網平臺之上搭載各種室內設備，并在這些設備之上安裝一個“智慧”的智能系統，這個智能系統將涉及傳感器網絡、智能安防、自動化控制、網絡通信、數據存儲與應用等諸多技術，使人們無論身處何方都能夠隨時掌握室內狀況，并能實現與室內設備的交互操作。

2 設計思想

RFID射頻識別[7-9]系統是一種簡單的無線系統，通常由一個讀寫器（Reader）和若干個電子標簽（Tag）組成，主要應用于控制、檢測和跟蹤目標對像。其中，電子標簽是射頻系統的數據載體，是射頻識別系統的核心。讀寫器由天線、收發器和控制模塊組成，是對電子標簽進行讀/寫操作的電子裝置。收發器和控制模塊集成在一起，與CPU連接，負責讀寫器與CPU的通信。天線的主要作用是在產生、發射無線射頻信號的同時接收電子標簽反射的無線射頻信號。

通過射頻識別（RFID）的方法讀取儀器設備內部電子標簽的信息，然后通過UART串口將采集到的數據發送到CPU。CPU將接收到的數據進行處理，再通過CPU芯片上的ZigBee模塊發送到上位機數據庫。多個房間的ZigBee模塊可以組成一個網絡。上位機數據庫根據收到的數據，實時更新設備的狀態信息。在射頻識別的同時，視頻網關連接的攝像頭通過絆線檢測提供抓拍功能，并通過RS-485串口將圖像信息傳送到上位機數據庫。系統基本構架如圖1所示。

圖1 系統基本構架框圖

3 系統設計

智慧實驗室系統由實驗室資產管理子系統、實驗室視頻監控子系統、實驗室網關和上位機系統4個模塊組成。實驗室資產管理子系統的主要功能有實驗室重要資產登記、設備借還檢測與記錄、檢測報警等。實驗室視頻監控子系統的主要功能有記錄實驗室每天的人員出入情況和實現遠程視頻監控，并在資產管理子系統出現錯誤記錄或錯失記錄時輔助糾正實驗室設備的出入記錄。實驗室網關主要完成信息接收、信息處理和信息發送的工作。這3個模塊也可以統稱為下位機系統。上位機系統在自己數據庫中更新、存儲接收到的信息，如有需要還要在系統界面上實時顯示。因為實驗室網關已接入Internet，上位機系統還可以遠程登錄，實現智慧實驗室的遠程管理。

3.1 實驗室資產管理子系統

實驗室資產管理子系統由若干電子標簽、兩個讀寫器以及一個微控制器構成。電子標簽中存有儀器設備的標識信息，如儀器名稱、實驗室歸屬、儀器編碼、權限代碼等。兩個讀寫器一個位于實驗室門內稱為門內讀寫器，另一個位于實驗室門外稱為門外讀寫器。兩個讀寫器的作用就是在自己讀卡范圍內檢測并上傳帶有電子標簽的設備信息。兩個讀寫器對同一設備電子標簽的讀取順序決定了設備是進入實驗室還是離開實驗室，當門內讀寫器先讀到電子標簽、門外讀寫器后讀到同一張標簽，說明帶有此標簽的設備是離開實驗室；反之，設備進入實驗室。實驗室設備分為可借出設備和不可借出設備，它們的分類由電子標簽上的權限代碼決定。當有人將實驗室可借出設備借出或歸還時，首先向管理員申請，征得管理員同意后方可將設備借出或歸還實驗室。當兩個讀寫器讀到實驗室不可借出設備離開實驗室時，微處理器除了記錄此設備的出入，還要發出報警信號提醒現場人員此設備是不可借出設備，不能帶出實驗室。

通常情況下，電子標簽由耦合元件和芯片組成。每個標簽在芯片中存儲能夠標識目標對像的標識信息，因此，每個目標對象具有唯一的ID編碼。電子標簽根據有無供電方式，可以分為有源標簽（Active Tag）和無源標簽（Passive Tag），標簽內部裝有電池供電的稱為有源標簽，反之稱為無源標簽。因為無源電子標簽成本遠遠低于有源電子標簽的成本，并且有通用的協議標準。因此，本設計選用915 MHz的無源電子標簽作為設備的存儲載體。因為電子標簽需要貼在儀器設備內部，儀器設備的金屬外殼、電路板會對電子標簽有巨大的影響，導致讀卡器難以讀到有效數據。因此，需要對電子標簽內部采取防金屬化處理。讀寫器的核心芯片則選用了RMU920，該芯片采用RFID專用模擬電路和先進DSP技術，集成了全部超高頻RFID讀寫器功能和協議處理功能，輸出頻率范圍覆蓋國際和國內標準，提供雙UART，可實現和CPU的串口通信。

微控制器的主要作用是實現對整個讀卡裝置的控制。微控制器的功能包括：1）向兩個讀寫器發送讀卡、休眠、停止等命令；2）接收上位機系統硬件查詢的命令，如果硬件模塊有損壞，需將結果上傳給上位機系統；如果通信模塊損壞或長時間不能正常通信時，本地報警；3）將讀寫器檢測到的設備出入記錄上傳給上位機系統；4）當檢測到有人攜帶實驗室不可借出設備出門時，本地報警。本地報警是指位于實驗室中下位機系統帶有的報警模塊發出的報警信號，比如資產管理子系統檢測到有人帶不可借出設備離開實驗室，下位機系統上的報警模塊則被觸發報警。綜合考慮智慧實驗室資產管理子系統中產品開發用到的I/O接口、串口、定時器等因素，選用了STM32F101C8作為資產管理子系統的微控制器。此芯片集成了如下資源：64 kbyte Flash、8 kbyte RAM、1條CAN總線、37個可用GPIO（General Purpose Input Output）引腳、7個定時器、3個UART（Universal Asynchronous Receiv?er/Transmitter）串口、1個12 bit ADC（Analog to Digital Con?verter）、2個12 bit DAC（Digital to Analog Converter）、2個SPI（Serial Peripheral Interface）接口、2個I2C（Inter-Integrated Cir?cuit）接口。

3.2 視頻監控子系統

實驗室視頻監控子系統[10]主要有兩個功能，門口絆線檢測和遠程視頻監控。絆線檢測功能定義如下：當開啟絆線檢測后，軟件程序在攝像機鏡頭中實驗室門口附近劃一條虛擬警戒線，每當有人越過虛擬警戒線時，攝像頭開啟畫面抓拍功能，并將抓拍到的靜態圖像上傳保存在上位機的服務器中。如果抓拍到的畫面符合報警條件，如不在實驗室開放時間有人進入實驗室，上位機系統向下位機系統中的報警模塊發出報警命令，報警模塊報警，上位機系統自身帶有的報警功能也會響起以引起管理人員的注意。因此，絆線檢測功能又叫防侵入報警功能。實驗室視頻監控子系統還有一個輔助功能，即在資產管理子系統出現錯誤記錄或錯失記錄時輔助糾正實驗室設備的出入記錄。

攝像頭在平時除了監控實驗室內部情況，將拍攝的視頻畫面上傳到上位機的服務器存儲外，還具有遠程視頻監控功能，管理員可以通過其他計算機或移動智能終端遠程登錄智慧實驗室系統，觀察由攝像頭拍攝的實驗室視頻畫面。為實現智慧實驗室系統的遠程登錄，智慧實驗室系統的上位機系統采用B/S架構編寫程序，實驗室管理員就可以通過IE瀏覽器輸入智慧實驗室系統服務器的IP地址或直接登錄智慧實驗室的客戶端即可登錄該系統。通過遠程視頻監控，管理員可以遠程監視實驗室的一切情況而不必親自到達實驗室，真正實現實驗室的無人值守。

實驗室視頻監控子系統采用一體化球型智能高清高速網絡監控攝像機，具有智能化、網絡化、高清化和高集成度的特點。球型監控攝像機所拍攝視頻畫面的像素分辨率能夠達到1 920×1 080，云臺水平和垂直方向的最快運動速度可以達到360度/秒。球型監控攝像機所拍攝的視頻采用H.264視頻壓縮編碼，可以支持完整的TCP/IP協議族，視頻數據流和控制命令經過壓縮編碼后通過網絡設備輸入和輸出。球型監控攝像機的鏡頭光學變焦倍數最大可以達到18倍，能夠支持自動對焦，還可以根據光線明亮變化自主改變成像參數從而保證畫面質量。

實驗室視頻監控子系統采用了Windows Socket技術進行程序編程工作。在順利實現網絡通信又要較少涉及Socket內部機制的前提下，可以采用WinSock的API函數。實驗室視頻監控子系統的主監控程序實現對實驗室視頻監控工作，在視頻監控的同時還需要重新開發一個線程來完成錄像工作。實驗室監控子系統錄制的視頻信息需要從球形攝像機經過通信網絡傳回計算機硬盤保存。

3.3 實驗室網關

在智慧實驗室系統中，實驗室網關將ZigBee通信模塊、以太網通信模塊、視頻處理模塊及存儲模塊集成在一塊電路板上，如圖2所示。實驗室網關有兩種通信方式，第一種是資產管理子系統的ZigBee組網內部通信，第二種是視頻監控子系統接入以太網的外部通信。實驗室網關在智慧實驗室系統中除了通信功能外，還有兩個重要功能：第一個功能就是對視頻監控子系統上傳的圖像和視頻進行圖像處理，比如將視頻進行模/數轉換、尺寸裁剪以及曝光度調整等；第二個功能就是存儲系統啟動時的應用程序及數據。

圖2 實驗室網關基本構架框圖

1）實驗室網關模塊中的核心處理器芯片選用德州儀器公司發布的一款基于達芬奇（DaVinci）技術的系統級芯片TMS320DM365。該芯片集成了ARM子系統，視頻處理子系統（Video Processing Subsystem，VPSS），視頻影像協處理器模塊（Video Co-Processor Module，VICPM），以及若干接口、外設控制器等資源。

2）基于通信距離和成本考慮，在資產管理子系統中選擇凌陽GPM8F3132A和ZigBee芯片US2400組成資產管理子系統無線通信系統的協調器模塊，負責通信數據的收發工作。其中，與資產管理子系統的微控制器模塊連接的協調器稱為主協調器，與實驗室網關連接的協調器稱為從協調器，兩個協調器上的ZigBee模塊通過自組網方式進行通信。

3）要實現智慧實驗室的遠程監控功能，還需要將整個系統接入以太網，在實驗室網關中有專門的模塊負責將視頻監控子系統接入以太網。實驗室網關上的網絡模塊使用KS8001L芯片，網絡模塊接口上帶有（10/100）Mbit/s自適應網絡接口，通過該接口與上位機系統所在服務器的網絡連接，實現了智慧實驗室系統的入網連接。

4）實驗室網關帶有視頻處理模塊，模塊核心芯片是TVP5158。TVP5158是由TI公司發布的一款多路視頻AD芯片。TVP5158內部含有一個4通道、高品質NTSC/PAL視頻解碼器，它使用數字編碼所有基帶模擬視頻格式，使模擬視頻信號變化為數字視頻信號輸出。經過圖像處理后的數字視頻信號就可以上傳至上位機系統的顯示界面，并保存在上位機的服務器中。

5）在實驗室網關中，不僅帶有SD卡接口與USB接口，通過這兩個接口可以擴展存儲模塊，保存智慧實驗室系統在工作過程中產生的數據信息，還擁有DDR2和NAND Flash存儲模塊，存儲系統運行所需要的數據和應用程序。

3.4 ZigBee網絡建立流程

實驗室網關啟動時，其IEEE802.15.4的協議棧對PHY層和MAC層進行初始化，完成后為網絡選定一個個人局域網（Personal Area Network，PAN）ID作為網絡的標識，PAN ID可以被人為地預定義，在偵聽其他網絡的ID沒有沖突后，就把此ID選為自己的網絡ID。每次啟動后實驗室網關再通過對各RF通道的能量掃描來確定一個自己網絡的RF通道。

資產管理子系統在加入網絡前需要進行頻道掃描，將在特定的頻率通道中發送信標請求。當網關檢測到信標請求后，網關將回應相應的信標來向資產管理子系統標識自己。資產管理子系統找到網關之后就將判斷此網關的PAN ID是否為自己所屬實驗室的PAN ID。如果是，則發出加入網絡的申請。網關設有入網密碼驗證，當資產管理子系統申請入網時必須通過密碼驗證方可得到批準入網，這樣可以保證各資產管理子系統加入的是所屬實驗室的網絡，而非附近用戶的網絡。因此，資產管理子系統的申請信息中必須包含入網密碼，通過密碼驗證后網關將考慮是否具有足夠的資源接受新的資產管理子系統，否則拒絕資產管理子系統入網，且在一段時間內不會處理來自此資產管理子系統的入網申請。如果網關接受了此資產管理子系統，它將發送一個16位的短地址給資產管理子系統，作為資產管理子系統在網絡中的標識，并把此資產管理子系統信息和地址加入鄰居表。ZigBee網絡建立流程[11]如圖3所示。

圖3 ZigBee網絡建立流程圖

3.5 上位機系統

智慧實驗室的上位機系統開發工作在微軟公司推出的開發軟件Visual Studio 2010完成。Visual Studio 2010集成了NET Framework 4.0和Microsoft Visual Studio 2010 CTP（Com?munity Technology Preview，CTP）等組件，能夠支持開發面向Windows 7的應用程序。Visual Studio 2010不僅能夠支持Microsoft SQL Server數據庫，而且還能支持IBM DB2和Ora?cle數據庫。上位機系統采用B/S結構編程，智慧實驗室系統支持在其他的計算機或移動智能終端上遠程登錄。

上位機系統除了與下位機系統進行正常通信外，還包含以下幾個功能：

1）接收資產子系統上傳的設備出入記錄，實時更新實驗室設備借還記錄；

2）接收資產子系統上傳的設備出入報警信息，發出報警命令；

3）接收視頻監控子系統拍攝的圖片和視頻信息并存儲，若符合報警條件發出報警命令；

4）定時向下位機發出硬件查詢的命令，根據收到硬件檢查的反饋信息決定是否發出報警信息；

5）支持服務器系統遠程登錄。

4 系統功能測試

智慧實驗室系統的設計是一個完整系統工程，因此在完成系統硬件設計和軟件開發后還需要進行全面的測試以證明它的可行性和實用性。智慧實驗室系統中實驗室網關起連接作用，網關正常與否通過系統是否正常工作就可以一目了然，不用再額外測試。因此，主要對資產管理子系統和視頻監控子系統進行功能測試。

對資產管理子系統的測試內容有射頻卡在不同物體中的最大讀卡距離、在最大讀卡距離的1/2處的讀卡成功率、讀卡后無線通信的成功率以及讀寫器連續工作一月后對讀卡距離的影響。測試結果統計如表1所示。

表1 資產管理子系統測試統計表

通過測試可以看到，由于實驗箱體對射頻卡的影響減小了讀卡裝置對射頻卡的讀卡距離和讀卡成功率，但8 m的讀卡距離以及95%的讀卡成功率仍具有可行性和實用性。讀卡裝置的輸出功率為21 dBm時，長時間連續工作基本不會影響讀卡裝置的正常操作，但將輸出功率調至最大30 dBm時，會嚴重影響讀卡效果，在連續工作超過15天后讀卡裝置因為產生大量熱量，將影響讀卡性能。

對視頻監控子系統的測試內容主要是通過上位機系統發送控制命令對攝像頭進行控制測試，以獲取攝像頭在不同角度、不同距離對同一位置的視頻監控畫面。經過測試，視頻監控子系統能夠達到預先期望的效果，完全可以投入使用。

5 結束語

本文將智能家居的思想理論與結構模式引入到實驗室建設與管理中來，提出了智慧實驗室的概念，構建了智慧實驗室系統的基本框架，并對系統進行了整體的設計，最后又對系統進行了性能測試。結果表明，所設計的智慧實驗室系統實現了實驗室儀器設備智能化管理的基本功能，為實驗室管理部門提供了高效、便捷的管理手段和方法，具有很好的應用推廣價值。

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[9]劉洋.基于RFID電子封條系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2012.

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[11] 高永清，周春來，商丹.基于ZigBee的家居智能用電網關設計[EB/OL].[2014-06-17].http://www.doc88.com/p-1788086409630.html.

Design of Smart Laboratory System Based on ZigBee

GAO Yongqing1，2，SHANG Dan1
（1.School of Electronic and Information Engineering，North China Institute of Science and Technology，Hebei Sanhe 065201，China；2.Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China）

Firstly，the current applications of IOT（internet of things）in home and abroad are investigated，and the practicability and feasibility of indoor IOT technology application in laboratory construction and management are analyzed in this paper.Then the concept of smart laboratory and its whole frame are put forward，the whole system consists of laboratory asset management subsystem，laboratory video monitoring subsystem，laboratory gateway and the host computer subsystem.The functions of each module of the system are introduced，and the whole system has been designed.Finally，the system performance was tested，the test results show that the designed system realized scientific，modern and information of laboratory management，enhanced the intelligent level of the laboratory management，has the important significance and reference value to"Smart Home"and"Smart City"development and construction.

wireless sensor network；smart laboratory；RFID；ZigBee

TN919.5

B

10.16280/j.videoe.2015.08.005

高永清（1974—），博士，副教授，主要研究方向為傳感器網絡技術和通信技術；

2014-07-17

【本文獻信息】高永清，商丹.基于ZigBee智慧實驗室系統的設計[J].電視技術，2015，39（8）.

中央高校基本科研業務費資助項目（3142014070）

商 丹（1974—），女，碩士，副教授，主要研究方向為傳感器網絡技術。

責任編輯：時 雯