基于ZigBee實驗室智能管理系統的研究與設計

蔡麗萍,李汪彪,陳鴻光,林 立

(福建師范大學 a.軟件學院 軟件工程省級實驗教學示范中心，b.光電與信息工程學院，福州 350108)

基于ZigBee實驗室智能管理系統的研究與設計

蔡麗萍a,李汪彪b,陳鴻光a,林 立a

(福建師范大學 a.軟件學院 軟件工程省級實驗教學示范中心，b.光電與信息工程學院，福州 350108)

針對傳統計算機實驗室人工管理模式存在的諸多弊端，研究設計了基于ZigBee的實驗室智能管理系統。通過溫濕度、光照度和煙霧等傳感器實現對實驗室內環境參數的實時監測，結合智能集控中心軟件及Android手機APP軟件，實現對多樓群實驗室門禁系統、多媒體設備、照明系統及計算機供電系統等的遠程集中控制。實踐證明，該系統能夠實現實驗室的智能化管理，提高實驗室的管理水平，減輕實驗員的工作負擔。

ZigBee； 實驗室； 智能管理； 集中控制； Android

0 引 言

實踐教學是高等教育的重要環節，計算機實驗室作為高校實踐教學的重要場所，承擔著培養學生實踐能力、創新能力的重任，然而，隨著實驗室資金的投入不斷加大，相應的儀器設備數量和種類也不斷增多，管理難度加大。

傳統的計算機實驗室多采用人工管理的模式，人工開關實驗室、手動控制用電設備和多媒體系統，不僅費時費力而且效率十分低下。中心曾經做過統計，實驗員每日花在日常開關實驗室(含計算機和多媒體設備等)的時間大約是2.5 h，繁雜而又枯燥的實驗室管理工作也是導致實驗技術人員流失的重要原因之一。因此，如何運用信息化手段科學、高效管理好實驗室和儀器設備，減輕實驗人員的工作負荷，成為實驗室管理者必須面對的一個問題[1-2]。

近年來，也有部分高校自行開發設計了一些集中控制系統，如浙江工業大學設計了實驗設備用電集中控制系統[3]，寧波大學開發了基于電源控制的實驗室集成管理系統[4]，南京林業大學研究設計了能夠根據實驗人數智能控制實驗桌電源通斷的系統等[5]。這些系統都在一定程度上提高了實驗室的管理效率，但它們主要側重對實驗室用電系統的控制，缺少對實驗室其他電氣設備的智能化控制，功能比較單一。

在吸收、借鑒同行成果經驗的基礎上，結合我院實驗室的實際情況，本文研究設計了一款基于ZigBee的實驗室智能監測和集中控制系統，能夠實現多棟實驗樓實驗室環境的智能監測和電氣設備的集中控制，大大簡化實驗人員的日常管理工作，提高實驗中心的信息化管理水平。

1 系統組成與作用

基于ZigBee的實驗室智能管理系統網絡拓撲圖見圖1，系統分為4部分:①客戶端。可以根據各自的權限通過數據通信接口向控制器發送控制命令，分為學生客戶端和管理員客戶端兩種，學生客戶端可以查看相應的實驗室課表和實驗室開放情況等；管理員客戶端的權限比較高，可以借助PC機或裝有APP的移動終端隨時查看、更改和控制實驗室的設備信息，從而實現對實驗室的智能控制。②服務器端。通過通信模塊與嵌入式集控中心進行數據同步，同時向嵌入式集控中心傳遞來自客戶端的控制指令。此外，服務器端還可以用來進行歷史數據的存儲及控制指令的轉存。③實驗室集控終端。根據從服務器端接收到的來自客戶端的控制指令執行相應的操作，如實驗室房門的開關，調節日光燈的亮滅等，同時將數據返回至服務器端。④受控對象。包括實驗室現有的一些設備，如網絡攝像頭、門禁控制器、日光燈、空調、計算機供電系統等，以及新增加的溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等。在系統設計中，把受控對象劃分為實驗室集中控制對象和環境監測對象。

圖1 智能管理系統網絡拓撲圖

智能終端的功能包括智能環境監測和集中控制兩部分。①智能環境監測。在實驗室內部署溫濕度傳感器、紅外傳感器等，實時監測實驗室的溫度、濕度、實驗室的開啟狀況、日光燈的亮滅情況等。實驗管理人員可以通過PC機實時查看實驗室環境參數，同時也可借助手機APP對實驗室情況進行隨時隨地查詢。②集中控制。將實驗室內的各個傳感器經過單片機處理得到的數據，通過無線模塊發送給實驗室集控終端進行匯總，再經以太網發送到服務器端進行數據存儲、判斷和處理，客戶端通過服務器可以實現信息的監控、查詢、修改，也可以發送相關命令給實驗室集控終端進行處理，從而實現遠程集中控制的目的。管理員只需在PC終端便可調控實驗室相關設備，如遠程開門、定時開門、遠程開啟多媒體設備和中央空調等；結合實驗中心總監控畫面，對下課后未能及時關閉的多媒體設備、空調、照明系統、計算機供電系統等進行遠程關閉，實現實驗室的高效管理和節能減排。

2 系統硬件設計

2.1智能集控系統框架

實驗室智能集控系統框架如圖2所示。網絡轉換器完成現場ZigBee網絡和以太網網絡轉換，前端采集控制器歸納為模擬型采集器、數字型輸入/輸出模塊和協議轉換器等。其中模擬型采集器主要完成市電電壓、電流、用電功率和環境溫濕度的采集，數字型輸入模塊主要為煙霧和防盜檢測模塊，數字型輸出模塊包括繼電器等輸出控制裝置，協議轉換器完成中央空調、多媒體中控和UPS等各種智能設備控制的協議轉換[6]。

圖2 實驗室智能集控系統框圖

2.2網絡轉換器設計

NXP的LPC2368單片機是一款基于ARM7處理器內核的 32 位高性能低功耗單片機。此系列單片機具有多種外設，如WDT、ADC、I2C、UART、SPI、PWM、USB和以太網等，支持10/100Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B，功能強大且效率高[7]。本系統使用LPC2368的以太網與UART實現底端ZigBee設備與PC服務器端的中繼轉換器，如圖3所示。

圖3 網絡轉換器設計電路

2.3基于ZigBee網絡的智能集控系統設計

ZigBee網絡的智能集控系統采用TI公司的CC2530芯片設計，CC2530 是支持ZigBee應用的一個真正的片上系統解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 集成了性能優良的RF收發器，增強型8051CPU，片內32～256 KB Flash，8 KB RAM 和AD轉換器[7-8]。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。

基于CC2530的ZigBee最小系統如圖4所示，二極管D1實現輸入電源極性保護功能，采用低功耗的LDO芯片HT7533實現3.3 V的穩壓，給CC2530提供穩定的供電電壓，CC2530的外圍電路參考TI公司官方給出的參考電路設計[8]，LED指示燈D2～D7實現系統狀態的指示。ZigBee無線信號經轉換成數字信號后，被傳送至CC2530解析成邏輯命令以完成相應的指令。

(1) ZigBee網絡協調器設計。網絡協調器是整個ZigBee網絡的主要控制者，它負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等[8]。協調器通過UART接口和網絡轉換器實現連接，硬件電路上相對比較簡單，電路采用圖4的CC2530的最小系統，通過J1接口和網絡轉換器連接。

(2) 交流電量采集器。交流電量采集器實現市電供電電壓、設備用電電流和用電功率等參數的采集，該模塊基于CRYSTAL公司CS5460A單相電表芯片設計，通過電壓變送器PT10B和電流變送器CT103X實現交流電壓和電流的采集[9]，電路如圖5所示。

(3) 紅外遙控輸出和繼電器輸出模塊。紅外遙控輸出和繼電器輸出模塊的電路如圖6所示，紅外遙控輸出實現實驗室內空調和投影儀的開關控制，紅外發射管的安裝位置需充分考慮實驗室內部所有紅外遙控設備的可接收范圍。繼電器輸出則通過觸點與用電設備的吸合與釋放，來實現對各實驗室的照明控制、門禁控制和計算機的電源控制[10-13]。由于繼電器的供電電流比較大，該模塊的供電采用AC-DC輸出DC12V提供。

通過與網絡視頻監控系統的結合，還可以實現對開放實驗室無人值守化管理，當視頻監測畫面檢測到實驗室無人的情況下，可自動關閉照明系統和電源供電系統。

(4) 傳感器模塊。傳感器模塊電路如圖7所示，包括溫濕度傳感器DHT11，光照度傳感器ISL29001，煙霧傳感器和熱釋紅外傳感器，采用現成的開關量輸出傳感器，通過PC817光耦接入到CC2530的IO口以提高系統的可靠性[14]。

圖4 基于CC2530的ZigBee最小系統原理圖

圖5 交流電量采集器原理圖

(5) 智能設備協議轉換器。實驗室中的帶通信接口的智能設備主要有投影儀和講臺中控系統，其接口一般采用RS-232或者RS-485[15]，針對這些智能設備的控制增加了一個ZigBee轉RS-232/RS-485的協議轉換器，電路原理圖如圖8所示。

智能設備協議轉換器接收各無線ZigBee節點的數據，并將數據通過串口傳送到協議轉換器的串口，并最終以以太網數據的形式傳送到服務器，從而實現了各個ZigBee節點到服務器的數據互通。

圖7 傳感器模塊原理圖

圖8 智能設備協議轉換器原理圖

3 軟件設計

軟件設計部分主要介紹智能集控中心軟件及Android手機終端軟件。

3.1智能集控中心流程圖

圖9給出了智能集控中心的流程，智能集控中心在初始化之后，接收來自上端的數據，進行判斷之后再把數據發送到各個相應的子模塊，各控制模塊根據接收到的指令對相關設備進行遠程控制。

圖9 智能集控中心流程圖

3.2移動終端軟件設計

Android手機移動終端軟件設計，主要從功能結構和流程來展開說明。

(1) 移動終端功能結構。移動終端的使用者主要是學生和實驗室管理員，用戶注冊成功后，其信息就會被保存到數據庫相應的數據表中，當用戶再次登錄時，服務器就會根據用戶類型賦予相應的權限。學生賬號只能查詢實驗室課表和開放實驗室的開放情況；而管理員賬號的權限較高，除對實驗室課表及開放實驗室進行管理外，還可以進行實驗室監控，遠程控制門禁系統、多媒體中控系統、中央空調、照明系統及供電系統等[3,16]。

圖10 移動終端功能結構示意圖

(2) Android手機終端流程圖。為確保數據傳輸的可靠性，本系統采用TCP通信方式。服務器偵聽來自Android手機移動終端的連接請求，接收并判斷此請求，若連接成功則發送消息，等待Server的應答及數據返回，并通知觀察者接收數據和消息狀態；若連接不成功則會再次嘗試連接，直至連接超時自動關閉TCP通信。

圖11 Android手機終端流程圖

當服務器接收到來自客戶端的TCP數據，則會將數據進行緩存并發送給ZigBee協調器，通過ZigBee協調器實現對遠程設備的控制。對于多棟實驗樓的多間實驗室的遠程控制，可通過上位機間的聯網通信來完成，通過連入校園網，用戶還可以在線查看相關實驗室的最新使用情況。

4 結 語

基于物聯網的高校實驗室智能管理系統的設計，能夠實現多棟實驗樓實驗室環境的智能監測和電氣設備的集中控制，徹底改變了以往粗放式管理模式，大大減輕了實驗員的日常管理工作，提高了實驗室的智能化管理水平。此外，通過對有源設備的智能化集中控制，也有效避免電力資源的浪費，延長用電設備使用壽命，并在一定程度上提高實驗室的安全保障問題。

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Research and Design of Intelligent Management System of Laboratories Based on ZigBee

CAILipinga,LIWangbiaob,CHENHongguanga,LINLia

(a.Software Engineering Provincial Demonstration Center,Faculty of Software,b.College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350108,China)

Aiming at the disadvantages of the traditional computer lab manual management mode,this paper studies the design of the intelligent management system based on ZigBee.In this system,the real-time monitoring of environmental parameters in the laboratory is realized through the sensors such as temperature,humidity,light intensity and smoke.Relying on the software of intelligent centralized control center and Android mobile phone APP software,this system can realize the remote centralized control of the laboratory access control system,multimedia equipment,lighting system and computer power supply system.It has been proved that this system can realize the intelligent management of the laboratory,improve the management level of the laboratory,and reduce the workload of the laboratory staff.

ZigBee; laboratoryies; intelligent management; centralized centralized control; Android

2016-11-10

國家自然科學基金項目(61502103);福建省教育廳杰青項目(J1-1157);福建省教育廳A類項目(JA13076)

蔡麗萍(1984-)，女，福建莆田人，碩士，實驗師，實驗中心副主任，從事實驗教學、實驗室建設與管理工作,研究方向：嵌入式系統、嵌入式應用程序開發。

Tel.: 18960867922; E-mail: cailp108@163.com

TP 302； G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0159-05