基于物聯網技術的實驗設備管理系統設計

羅家兵

（廣州大學華軟軟件學院計算機系，廣州 510990）

基于物聯網技術的實驗設備管理系統設計

羅家兵

（廣州大學華軟軟件學院計算機系，廣州 510990）

0　引言

為了提高實驗場地的利用率，有很多高校一個實驗室往往具有多種用途，有可能既是微機原理實驗室，又可能是計算機組成原理實驗室，當學生做微機原理實驗的時候，由實驗員把微機原理實驗箱從柜子里面擺放到實驗臺上，做完實驗后又得把實驗箱放回柜子，每次實驗都重復同樣的工作，一來實驗員工作量巨大，二來無法跟蹤實驗箱的使用情況；三來容易出錯。

針對以上不足，本系統設計的重點在于采用物聯網技術實現對存放實驗箱的實驗箱抽屜的智能化：

（1）當學生在實驗室登錄到本系統經過驗證授權后對應的實驗箱抽屜子門自動打開；

（2）實驗箱抽屜子能夠自動檢測實驗箱是否存在；

（3）實驗箱抽屜子能夠自動報告自己的狀態：門的開關、實驗箱是否存在；

（4）系統能夠自動跟蹤實驗箱使用情況：誰什么時候取走實驗箱，什么時候放回實驗箱子。

1　實驗設備管理系統相關技術概要

物聯網在國際上又稱為傳感網，這是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮。世界上的萬事萬物，小到手表、鑰匙，大到汽車、樓房，只要嵌入一個微型感應芯片，把它變得智能化，這個物體就可以“自動開口說話”。再借助無線網絡技術，人們就可以和物體“對話”，物體和物體之間也能“交流”，這就是物聯網。一個典型的物聯網系統體系結構如下：

感知層主要利用傳感技術、自動識別技術實現對所關注物體信息的采集，同時還可以接收上層的命令讓物體執行特定的動作；網絡層主要借助于短距離、長距離通信實現信息在各節點間的傳輸；應用層是對感知層所收集的信息具體應用，如監測、分析等。

2　實驗設備管理系統需求分析

本系統所要實現的主要目標實現對實驗室實驗箱的自動化管理：能夠自動記錄授權用戶在什么時候使用了實驗箱、歸還了實驗箱。授權分為兩種情況，具體見表：

表1　系統授權

當使用者通過兩種授權方式之一獲取使用權限之后，在實驗桌電腦上系統客戶端登錄成功后實驗箱抽屜門自動打開，然后使用者從實驗箱抽屜中取出實驗箱放到桌面上；使用者使用完畢后把實驗箱放回實驗箱抽屜并關上實驗箱抽屜門。在一次連續的授權時段內，使用者每次成功登錄都可以把實驗箱抽屜門打開和關閉，在超出該時間段后將不能再打開實驗箱抽屜。

整個系統還需要給實驗管理人員提供實時查看每個實驗箱的使用狀態：實驗箱已從實驗箱抽屜拿走或者放在實驗箱抽屜中；實驗管理員對每個實驗箱的歷史使用狀況進行查看：誰在何時使用了實驗箱。

系統的用例圖如圖2所示。

圖1　物聯網體系結構

圖2　系統用例圖

3　實驗設備管理系統總體方案

整個系統由終端：智能實驗箱抽屜、協調器、傳感網絡網關、數據中心、上層應用五部分組成。多個智能實驗箱抽屜構成一個無線傳感網絡，本系統采用Zig-Bee作為無線組網協議，其中，實驗箱抽屜能夠自動檢測實驗箱存在狀態、實驗箱抽屜柜門的開關狀態，并通過ZigBee無線傳感網絡傳輸這些狀態；網關主要完成互聯網和無線傳感網絡數據傳輸的協議轉換，把數據上傳到數據中心；數據中心的數據在應用端可以表現出來，整個系統框架如圖3所示

4　實驗設備管理系統硬件設計

系統硬件設計主要包括感知層硬件設計和網絡層硬件設計兩部分。

4.1系統感知層硬件設計

感知層主要功能是完成終端信息的采集、控制。本系統采用HY-SRF05超聲波探頭來檢測實驗箱的存在狀態。該模塊可提供2-450cm的非接觸式距離檢測功能，測距精度可達3mm；包括超聲波發射器、接收器、控制電路。

圖3　系統總體框架

圖4　SRF05模塊

該模塊引腳定義如下：

vcc供5v電源；

GND為地線；

GRIG觸發控制，信號輸出；

ECHO回想信號輸出；

OUT開關量輸出。

超聲波探頭安裝在實驗抽屜的頂部，當檢測到距離小于一定范圍時判斷實驗箱存在，反之則不存在。

系統使用門磁傳感器來檢測實驗抽屜的開關狀態。門磁傳感器主要由開關和磁鐵兩部分組成，開關部分由磁簧開關經引線連接、定型封裝而成；磁鐵部分由對應的磁場強度的磁鐵封裝于塑膠或合金殼體內，當兩者分開或接近至一定距離后，引起開關的開斷從而感應物體門磁開關位置的變化。門磁傳感器安裝在實驗抽屜柜的的上邊緣。

系統使用磁力鎖用來控制實驗抽屜柜門的開關。磁力鎖采用直流12V-240MA供電，直線拉力60公斤，通電上鎖，斷電開鎖。

超聲波傳感器、門磁傳感器、磁力鎖通過線路和cc2530 ZigBee節點相連，ZigBee節點固定在實驗抽屜柜門的上邊。

4.2系統網絡層硬件設計

網絡層的主要功能是完成終端節點之間、終端節點和人之間的信息傳輸。本系統的的網絡層主要由無線傳感網、網關、互聯網三部分組成，傳感器網絡通過網關接入互聯網。

終端節點、路由節點、協調器均以cc2530為核心構成一個ZigBee網狀網。終端節點一方面負責門磁傳傳感器、超聲波傳感器數據的采集和電磁鎖的控制，另一方面負責把從傳感器所采集的數據通過ZigBee協議經路由節點匯聚到協調器。

網關的主要功能是通過串口接收協調器傳輸過來的傳感網絡數據，然后通過TCP/IP協議發送到遠程的數據庫。本系統的網關以s5pv210構建，運行嵌入式Linux操作系統。

5　實驗設備管理系統軟件設計

本系統的軟件設計主要由四部分組成：傳感層軟件設計、網絡層軟件設計、應用層軟件設計。

5.1傳感層軟件設計

傳感層主要采用TI公司的ZigBee協議棧zstack 2007。

傳感層軟件主要包括終端節點軟件和協調器軟件，采用TI-Zstack 2007為ZigBee協議棧。終端節點上的zstack配置為end_device，在協議棧中實現超聲波傳感器、門磁傳感器數據的采集以及電磁鎖控制相關的代碼。傳感層協議棧總體結構如圖4所示。

圖4　傳感層軟件總體結構圖

5.2網絡層軟件設計

網絡層的功能主要是完成信息的傳輸，主要包括協調器軟件的設計和網關軟件的設計，協調器軟件除了構建網絡、維護網絡外，還負責各終端節點數據的收集并轉發到網關；網關軟件主要負責把從協調器收集來的數據通過TCP/IP協議發送到數據中心。該層總體結構如圖5所示。

圖5　網絡層軟件總體結構圖

5.3應用層軟件設計

本層軟件設計主要包括數據庫的設計和人機交互界面的設計。數據庫采用用MySQL，主要設計如圖6所示。

人機交互界面分為學生端和實驗室管理員端。學生端主要讓學生輸入學號、密碼登陸系統，系統判斷其在該時間段被授權使用實驗箱，在實驗箱抽屜門就會接收到系統發來的打開柜門指令；實驗室管理員端主要完成學生信息的注冊和授權管理。

圖6　系統數據庫設計

6　結語

本文從實驗設備管系統系統的需求出發，利用物聯網技術分別就系統的感知層、網絡層、應用層各層的功能進行分析，然后進行軟硬件設計。依據該設計，目前已經實現了系統的大部分軟硬件模塊并通過了測試。本系統設計對于高校實驗室的管理將具有非常好的實際意義。

［1］饒緒黎.基于物聯網技術的實驗設備運行監控管理系統設計［J］.山東大學學報（理學版），2012，11.

［2］王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現［M］．北京：化學工業出版社，2014.

［3］李文仲，段朝玉等.ZigBee無線網絡技術入門與實戰［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］王浩.開放性計算機實驗室教學管理系統設計與實現［D］.華南理工大學，2013.

［5］侯振云，肖進.MySQL5數據庫入門與提高［M］.北京：清華大學出版社，2015.

IOT；Laboratory Equipment；Automation Management

Laboratory Equipment Management System Based on IOT

LUO Jia-bing

（Department of Computer Science，South China Institute of Software Engineering，Guangzhou 510990）

1007-1423（2015）34-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.017

2015-11-10

2015-11-25

目前實際應用的實驗設備管理系統主要側重于實驗室設備數量的管理，而對誰在什么時候使用了實驗設備基本上靠人工記錄或人工錄入數據管理，這樣對實驗室的管理造成了很大的麻煩甚至容易出現問題。針先對該問題進行了需求分析，然后利用物聯網技術分別從感知層、網絡層、應用層進行軟硬件設計，依據該設計的實現將可以對實驗室設備使用情況的進行自動化管理。

物聯網；實驗設備；自動化管理

羅家兵，男，講師，碩士研究生，研究方向為嵌入式軟件開發和物聯網應用技術

At present，the actual application of the laboratory equipment management system is mainly focused on the number of laboratory equipment management，and who uses the laboratory experimental equipment and when the laboratory experimental equipment is used are basically manual or manual input data management，so that the management of the laboratory caused a lot of trouble and even problems. Analyses the problem，designs the software and hardware by using IOT.According to the design，the implementation will be able to manage the laboratory equipment automatically.