基于物聯網的實驗設備智能管理系統

沈 瑤，史麗峰，王詩豪，朱曉榮，趙 夙

（南京郵電大學通信與信息工程學院，南京 210003）

基于物聯網的實驗設備智能管理系統

沈 瑤，史麗峰，王詩豪，朱曉榮，趙 夙

（南京郵電大學通信與信息工程學院，南京 210003）

針對高校實驗室開放性管理不足的問題，研制了基于物聯網的實驗設備智能管理系統。該系統在SQL Server 2005、Visual Studio 2012軟件平臺上使用ASP.NET、C#等技術搭建了設備管理的服務器管理軟件，利用低功耗藍牙、RFID（射頻識別）和網關通信等技術實現對設備的智能感知，自動發現設備并進行狀態的申報和記錄，并且可以對設備進行預約、借用、歸還和智能調度等自動化的管理和控制，提高了設備的利用率，節省了人力、物力和時間資源。

設備管理；智能感知；藍牙；射頻識別；網關

0 引 言

隨著國家對高等院校投資力度的不斷加大，各大高校的實驗室得到了跨越式發展，實驗設備逐漸完善，尤其是實驗設備的數量和檔次都有了極大的提升，這也無疑增加了實驗設備管理的復雜性，而傳統的實驗室采用的設備管理方法普遍比較落后。因此，建立一套比較科學的實驗設備智能化管理系統，實現設備資源的開放共享，讓學生和教師更好更快地利用學校資源來進行科研工作，提高設備的管理和利用效率尤為必要。

本文系統的主體設計思想是先對各個實驗室的設備資源進行網絡化管理，將房間內所有設備信息錄入數據庫并展示到網站上，用戶可以在網上查詢自己所需設備的位置信息和借用情況等，并根據自身需求在設備開放時間內進行網上預約，省去了用戶與管理員溝通的時間。在獲取使用設備的權限后，用戶到相應房間內借用設備。整個預約過程并不需要設備管理員過多的參與，體現了設備管理的智能化。

圖1 系統總體框架圖

1 系統總體設計方案

1.1 系統總體框架

圖1所示為系統總體框架圖，其主要由服務器管理模塊、網關模塊、藍牙模塊和RFID（射頻識別）模塊4部分組成，實現設備基本信息查詢、設備借用與歸還、實驗設備增加、實驗設備移動以及設備使用信息統計分析等網絡化及自動化管理功能。

1.2 系統運行具體流程

系統將給每位用戶和每個設備配備具有唯一ID的RFID標簽，用戶使用自己的RFID卡號在設備預約系統的網頁上進行預約，后臺服務器根據調度算法自動進行預約審核，審核成功后，用戶獲得使用權限并記錄于相應的RFID卡上。當用戶刷RFID卡進入實驗室時，網關掃描其卡號并發送給服務器判斷其是否具有權限進入實驗室。用戶獲得權限進入實驗室后，刷設備上的RFID卡，網關將設備RFID卡號和掃描到的用戶卡號綁定轉化為預先指定的幀格式發送給服務器，服務器對收到的數據進行處理判定，并將判定結果數據指令發送給網關，網關根據所收到的指令來作出相應的動作。用戶歸還設備時，需要到相應實驗室刷自己的RFID卡進入，再將設備放回對應位置并刷設備RFID，此時網關會將設備歸還信息傳送給服務器，服務器以此更新相應設備的狀態。另外，每臺設備上還會綁定一臺藍牙節點，通過藍牙主機實時掃描從機設備狀態，并將設備狀態發送給網關，再由網關傳送給服務器進行數據記錄。具體運行流程如圖2所示。

圖2 系統運行流程圖

1.3 開發環境和工具

服務器管理軟件分為網站和網絡通信服務器，在Visual Studio 2012軟件平臺上利用ASP.NET等技術搭建了具有三層架構的網站［1-2］，并運用C#語言編寫了一個通過Socket（套接字）進行TCP（傳輸控制協議）通信的網絡通信服務器。

智能網關采用嵌入式ARM平臺進行開發，涉及Linux操作系統、低功耗藍牙技術、ISO15693 RFID技術和Socket網絡通信技術。通過嵌入式平臺向下適配藍牙協議和RFID協議，向上與服務器進行交互，完成系統上層與底層的橋接工作。

2 服務器管理軟件設計

服務器管理模塊是本系統的核心部分，主要實現兩個方面的功能:一方面支持設備預約平臺，將設備信息展示到網頁上供用戶檢索和預約，并且審核預約是否通過；另一方面實現與網關的數據通信，兩者之間通過Socket進行數據交流，服務器接收由網關傳來的底層硬件的信息數據，經過數據格式的處理之后存儲到服務器數據庫中并回發相應的指令數據。各個模塊之間的關系如圖3所示。

圖3 服務器及終端系統框圖

2.1 預約網站設計

預約平臺主要是面向用戶進行預約，該平臺主要實現設備基本信息檢索、設備預約申請和設備預約進度查詢3個功能。

后臺服務器對用戶預約請求進行自動審核，審核通過需滿足:（1）該設備存在于系統數據庫中，并且位置信息和數據庫中記錄的相一致；（2）該設備處于可預約狀態；（3）該設備的預約開始時間和結束時間必須符合邏輯要求。

2.2 通信服務器設備管理軟件的設計

通信服務器是整個設備管理系統的“溝通橋梁”，通過連接到同一網絡，它就可以按照客戶端的請求提供數據傳輸服務和各項數據運算。

服務器和網關之間采用Socket進行雙向通信。一方面，服務器接收網關傳來的底層硬件的信息數據，經格式化處理之后存儲在數據庫中；另一方面，如果網關傳來的是請求命令數據，比如請求該用戶是否有權限進入01號實驗室，服務器要對請求數據根據內部判斷函數作出判斷，并將判斷結果傳回給網關，同時對數據庫進行更新。

基于上述功能要求，本文在C#中使用Socket接口來實現網絡通信，考慮到數據傳輸的可靠性，以確保系統通信流程實現無差錯、無重復地收發數據，本文采用TCP的流套接字［3-4］。

由于會有多個網關接入，因此服務器采用多線程編程［5］，為每個Socket連接請求自動新建一個線程來處理新的數據事務，線程之間不會相互干擾，以保證數據被正確處理。

3 硬件控制設計

3.1 網關控制器設計

控制器在智能網關平臺中需要實現兩個主要功能:一是驅動底層硬件模塊，獲取設備和人員信息；二是通過網絡與服務器進行交互，匯報數據并執行相應的服務器指令。因此控制器需要完成大量的處理工作，并能接入其他外設，進行接口適配。本文選擇嵌入式ARM開發板作為網關控制平臺［6］。

3.2 設備感知方式設計

為了實現設備的自動檢測，完成設備狀態信息的匯總和上報，本文選用低功耗藍牙技術來進行設備感知［7］。

藍牙設備在本系統中分為兩種:一種為執行掃描工作的藍牙主機；另一種為模擬實驗設備的藍牙從機。在網關控制器的操控下，主機能定期地進行環境掃描檢測，收集當前環境中的從機狀態，即該房間內實驗設備的當前狀態。從機向周圍環境不斷廣播自己的MAC（媒體訪問控制）地址，使其能被其他主機掃描到，并用自身狀態來模擬代表設備狀態。

3.3 設備識別方式設計

本文選用RFID技術來完成使用者和實驗設備的信息比對，并配合上層服務器完成設備的借用和歸還過程［8-9］。

RFID分為讀卡器和電子標簽兩部分。本文選用無源電子標簽，只有在讀卡器天線正常輻射范圍內才能通過微弱的感應電流使電子標簽的芯片工作，并返回芯片信息。該工作模式只有讀卡器需一直供電，電子標簽不消耗電能，實現了節能和環保。

3.4 網關程序總體框架設計

網關程序總體框架的設計要求是:（1）網關能接入藍牙和RFID，實現設備信息獲取和其他基本操作；（2）網關向上能與服務器進行交互，實現信息的實時更新；（3）整個管理系統最終能實現設備信息查詢、設備借用等自動化管理功能。

為了實現設計功能，需要完成兩項任務:（1）獲取藍牙設備信息和RFID標簽信息；（2）根據服務器要求，以既定的數據幀格式進行Socket通信，并根據服務器回發的指令進行相關操作。可以對每個模塊單獨進行控制和測試，最后將其整合為一個軟件系統。

3.5 設備感知線程-藍牙

藍牙的主要任務是模擬實驗設備，確定設備是否存在于當前實驗室，以此來獲取信息并在網頁上進行狀態顯示。借用或使用儀器設備則由RFID來實現，因此可以簡化藍牙的功能，使其工作在“掃描-處理-發送”的循環狀態。掃描回讀數據為16進制，在數據處理方面需要進行參數轉換。掃描后回發數據為一長串字符指令，其中攜帶藍牙從設備的MAC地址，通過字符匹配的方法可以提取所需的MAC地址來進行后續操作。

為了能對比發現設備的增加或缺少，需要定義一個靜態結構數組以存放該實驗室既定的設備信息，用來與掃描到的設備信息進行對比，確定具體事件后與服務器進行信息交互。這里將藍牙的事件分為3類:藍牙設備狀態正常、藍牙設備缺失和藍牙設備增加。具體事件由掃描數據與靜態庫對比后確定。為了能與服務器進行正確的信息交互，傳達對應的事件消息，約定3個幀格式來代表這3個事件，不但能規范通信格式，還能方便地進行數據處理，為調試提供了便捷。

3.6 設備識別線程-RFID

RFID主要實現的功能是實驗設備的借用。RFID標簽卡作為身份標識，為使用人員和實驗設備分別配備，以RFID標簽唯一的UID（全球唯一標識）卡號作為區分。考慮到數據的安全性，將信息存儲于服務器上，每次掃描只獲取RFID標簽號，在使用過程中所產生或者需要的數據都通過與服務器交互的方式來獲取和傳達。

在RFID處理線程中，等待并接收輸入設備的控制指令，當判斷為“借用”時，進行標簽卡掃描操作，之后將標簽卡信息發送給服務器。與上文中藍牙事件的數據幀格式相對應，這里定義了格式類似的數據幀來表示RFID請求事件。當服務器收到請求后，網關將等待接收服務器的回發消息，包括當前請求使用者的權限和設備信息等，再進行后續處理。圖4所示為RFID事件的流程圖。

圖4 RFID事件流程

4 結束語

本文研制了基于物聯網的實驗設備智能管理系統，在該系統中智能網關節點為整個系統提供了信息獲取、指令執行和操作反饋功能，在服務器設備管理軟件和調度算法的控制下實現智能化、自動化和可視化的設備管理，進一步優化了資源配置，大大提高了高校實驗室的管理水平。

［1］徐兵.基于.NET的實驗預約管理系統的實現［J］.計算機應用，2009，（05）:1259-1261.

［2］高揚.基于.NET平臺的三層架構軟件框架的設計與實現［J］.計算機技術與發展，2011，（02）:77-80.

［3］戴建明.面向連接的SOCKET編程與通信軟件的設計［J］.成都氣象學院學報，1996，（04）:291-300.

［4］戴寧.基于TCP/IP協議的網絡通信服務器設計［D］.西安:西安電子科技大學，2014:381-420.

［5］蔡昭權.利用Socket實現多線程通信程序［J］.惠州學院學報:自然科學版，2004，（06）:59-70.

［6］聶嘉棟.基于Linux-ARM平臺的3G無線聯網方案設計［J］.電子技術，2010，47（7）:70-71.

［7］（英）海登.低功耗藍牙開發權威指南［M］.北京:機械工業出版社，2014:59-60.

［8］Klaus Finkenzeller.射頻識別（RFID）技術——無線電感應的應答器和非接觸IC卡的原理與應用［M］.陳大才，譯.第二版.北京:電子工業出版社，2001:1-8.

［9］李隆.基于ISO15693協議的HF RFID芯片開發系統設計與實現［D］.武漢:華中科技大學，2013.

Intelligent Laboratory Equipment Management System Based on the Internet of Things

SHEN Yao，SHI Li-feng，WANG Shi-hao，ZHU Xiao-rong，ZHAO Su
（College of Telecommunication&Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunication，Nanjing 210003，China）

To solve the insufficiency problem of the opening laboratory equipment management in universities，an intelligent equipment management system on Internet of things is designed in this paper.A server system is constructed in this system by using ASP.NET，C#and other technology on the software platform of SQL Server 2005 and Visual Studio 2012.The intelligent perception of equipment is achieved by using low-power Bluetooth technology，RFID radio frequency identification technology，and gateway communication technology and so on.The system can automatically discover the equipment，report and record their status.Meanwhile，it can provide services such as reserving，borrowing，returning equipment，automatically.Also it can manage and control the intelligent scheduling，which improves the utilization of the equipment and saves manpower，material and time resources.

device management；intelligent perception；bluetooth；RFID；gateway

TP391.4

A

1005-8788（2016）05-0035-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.011

2016-06-11

沈瑤（1994-），女，江蘇溧陽人。本科，主要研究方向為移動通信與無線技術。