ZigBee&RFID技術在實驗室管理中的應用

彭小玲　彭小容

摘 要： 設計了一種基于ZigBee和RFID技術相結合的實驗室儀器設備系統管理平臺，通過該平臺，實現了對實驗室儀器設備和學生的管理。用ZigBee傳感器網絡來定位儀器設備的位置，用RFID技術來識別使用人的身份，儀器可通過對使用人的身份驗證結果來決定是否可使用該儀器設備，并記錄使用情況以備檢查和追溯。RFID讀卡器采用NXP公司的13.56MHz的RFID芯片RC522，Zigbee系統采用TI公司的2.4GHz SoC芯片CC2530來搭建。測試結果表明，系統設計運行穩定，儀器定位位置準確，RFID讀寫速度極快，識別率高，網絡穩定性好，有很強的適應性。

關鍵詞： ZigBee； RFID； 實驗室； 管理

中圖分類號：TP9212.9 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）12-64-04

Application of ZigBee&RFID technology in laboratory management

Peng Xiaoling1， Peng Xiaorong2

（1. ZheJiang ChangZheng Vocational&Technial College， Hangzhou， Zhejiang 310023， China； 2. ChongQing Institue of Engineering）

Abstract： A laboratory equipment management platform based on ZigBee and RFID technology is designed. Through this platform， the management of laboratory instruments and equipments and students is realized. With the ZigBee sensor network to locate equipment position， with the RFID technology to identify the user， the instrument can determine whether the instrument can be used according to the user's authentication result， and can record the usage for inspection and tracing. The RFID card reader adopts NXP's 13.56MHz RFID chip RC522， and Zigbee system uses TI's 2.4GHz SoC chip CC2530. The test results show that the system runs stably with accurate positioning， high speed RFID reading and writing， high identification rate， perfect stability of network and very strong adaptation.

Key words： ZigBee； RFID； laboratory； management

0 引言

隨著學校規模的不斷擴大，實驗室建設也越來越多，傳統的實驗儀器、設備和耗材等沒有建立管理信息系統，不利于對這些設備和耗材的維護和管理；對儀器設備的管理流程仍按照填單式手工處理方式，這很容易導致遺漏和出現錯誤，造成設備丟失。

隨著物聯網技術的不斷發展，采用基于RFID和ZigBee技術相結合的解決方案能方便的管理實驗室儀器設備。RFID是一種自動識別技術，具有非接觸性，它利用雷達反射或者射頻信號及其空間耦合傳輸的特性，來實現對靜止或移動目標進行自動識別[1]。ZigBee技術是一種無線通信技術，它具有雙向性、低成本、低功耗、近距離、低復雜度、低速率等眾多優良特性，較適合于監控、自動化或遠程控制、傳感器等領域，可嵌入各種儀器設備中[2]。本文基于RFID和ZigBee技術，實現對實驗室儀器設備和學生二方面的管理，用ZigBee傳感器網絡來定位儀器設備的位置，并且通過ZigBee技術向控制中心傳輸儀器設備的狀態信息，也可接受控制中心通過上位機下達的全局控制設置[3-4]。RFID技術能識別使用人的身份信息，儀器設備通過對使用人的身份驗證結果來決定是否可以使用該儀器設備，并且記錄使用情況，這樣就可以通過查詢儀器設備的歷史使用情況來找到損壞儀器設備的責任人。

1 系統方案設計

系統平臺基于RFID和ZigBee技術，借鑒了國內外優秀類似系統研究經驗，系統RFID讀卡器設計采用NXP公司的13.56MHz的RFID芯片RC522，Zigbee無線傳感器網絡采用美國TI公司的2.4GHz系統級SoC芯片CC2530來搭建。

1.1 系統主要功能

系統實現的主要功能如下：

⑴ 對儀器設備的位置定位；

⑵ 保護儀器設備的安全。當儀器設備將要離開安全范圍時，及時啟動聲光報警；

⑶ 使用者使用儀器前將進行RFID身份驗證，通過驗證才能使用儀器；

⑷ ZigBee系統在備用電池供電情況下至少能工作半年；

⑸ 防止儀器和系統電路遭人為損壞，當儀器設備遭強行拆開時，立刻啟動聲光報警來提示。

1.2 系統框架設計

系統主要由控制中心、基于ZigBee 的無線傳感器網絡通信模塊、儀器設備搭載ZigBee和RFID、門禁RFID以及顯示部分等構成，主要框架結構如圖1所示。

控制中心模塊采用X86作為系統平臺，基于Windows NT操作系統，搭配VC++作為控制中心軟件運行環境，采用MFC作為應用程序開發框架進行控制中心軟件開發。

按照基于IEEE 802.15.4標準的德州儀器公司的ZStack-CC2530協議棧來開發傳感器網絡通信組件，完成傳感器網絡的建立、維護、通訊以及節點控制等功能。

⑴ ZigBee節點。包括終端節點，路由器節點和協調器節點，采用TI公司的SoC單ZigBee芯片CC2530來搭建，電路圖和外圍設備連接自行設計。CC2530是真正的系統級芯片，集成了性能強大的RF收發器，基于工業標準增強型的8051處理器，系統級可編程閃存，大容量內存以及串口等眾多外圍接口設備。

⑵ 傳感器。用于對實驗室儀器設備信息的位置和狀態感知，包括壓力、振動和位移等諸多傳感器。

RFID對儀器的使用者進行身份驗證，以便確認使用者能開啟和使用該儀器設備。RFID讀卡器采用NXP公司的RC522芯片來設計讀卡器電路，因RC522原裝芯片價格較低，使用、開發也方便，很適合用來開發讀卡器、射頻卡終端等。

顯示部分用來顯示系統在使用過程中的狀態信息，可以是指示燈或者聲音提示等。由于本系統是在儀器內部工作用以保護儀器設備的安全，所以只需一些簡單的LED狀態指示燈和聲音來提示系統工作狀態。LED狀態指示供系統調試時使用；聲音提示用于用戶身份驗證結果以及當前儀器設備是否在安全區域等。

1.3 系統通信協議及數據幀格式設計

當ZigBee網絡結構和RFID技術相結合時，網關通常用ZigBee節點的網絡通訊模塊來承擔，然后通過ZigBee協議把RFID讀卡器讀取的數據傳輸到上位機或控制中心[5]，其通信結構如圖2所示。

2 關鍵電路設計

2.1 ZigBee系統電路設計

圖4是CC2530芯片的基本電路結構圖。由于本方案只需讀取芯片RC522以及電源控制部分，外部接口設備也很少，所以只需使用CC2530基本結構就能滿足系統需要。

2.2 RC522 RFID讀卡器電路設計

圖5是RC522芯片用來設計讀卡器的典型應用。因為本讀卡器采用查詢的方式來識別RFID射頻卡，所以讀寫RFID射頻卡不需要采用中斷技術來中斷系統。

3 關鍵程序的設計

3.1 終端程序設計

本系統使用德州儀器公司（TI公司）提供的協議棧來開發終端程序，通過在協議棧的用戶任務列表中添加系統所需功能。

終端程序需要與路由器和控制中心通信，通信內容主要包括以下五個命令：認證請求與認證確認、設置蜂鳴器、調試及PING等命令，對于每個命令都需要相應的數據幀格式，流程如圖6所示。

[開始][初始化系統

啟動協議棧][是否有市電？] [是否授權？] [讀卡并請求授權][發送PING幀][休眠系統節電][打開儀器的電源] [是] [是][否][否]

圖6 終端程序流程圖

終端程序收到不同類型的數據幀后進行相應的處理，主要源代碼如下：

void App_Mess（afMSPack_t *pk ）

{ frame_beep_t *pBep；

switch （ pk->clusId ）

{ case CLUS_DATA：/*數據透傳幀*/

/* 協調器處理*/

case CLUS_PING：/*PING幀*/

/* 路由器才會收到這個幀*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到認證許可*/

/* 終端收到認證許可，啟動儀器*/

case CLUS_BEP：/*蜂鳴器開啟*/

/* 終端處理*/ }}

3.2 路由器程序設計

路由器主要用以形成ZigBee網絡結構，使用協議棧的數據包生成路由，將終端發送的數據轉發給控制中心，并將控制中心的數據回送給終端。

路由器發送PING幀給控制中心來監視路由的工作狀態。因為路由器不需要儀器管理和報警功能，所以其PING幀結構和終端程序的PING幀結構一樣，只需把路由器幀結構的狀態部分都置為零。路由器處理數據幀源代碼如下：

void App_Mess（ afMSPack_t *pk ）

{ frame_ping_t *pPing；

switch （ pk->clusId ）

{ case CLUS_DATA：/*數據透傳幀*/

/* 協調器處理 */

case CLUS_PING：/*PING幀*/

/*路由器把測量的RSSI值加進去*/

send_to_pc（（uint8*）pPing， sizeof（frame_ping_t））；

/*然后發送給PC機*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到認證許可 */

case CLUS_BEP：/*蜂鳴器開啟*/

/*終端處理*/ }}

3.3 上位機程序設計

上位機程序使用MFC框架來進行開發。處理串口數據部分使用微軟ActiveX 控件Microsoft Communication Control控件來實現讀寫。程序窗體采用對話框窗體設計，并且主窗體產生子窗體用于認證和顯示調試信息等。

當上位機程序收到從串口傳輸來的數據幀后，根據數據幀幀頭部分MAC地址信息判斷是從哪個儀器設備發出的，然后從自己維護的設備庫中查找該設備，如果查不到該設備MAC信息，那么就創建該儀器設備并記錄在設備庫中。設備庫采用鏈表的存儲結構，便于刪除和添加設備信息。上位機就是通過這種方法來更新和管理設備庫，并時時維護該設備庫的信息和實際儀器設備信息的一致性。

為了方便系統管理員能批量控制全部儀器設備，上位機還提供了一些全局參數設置，比如全局時間控制設置。通過全局時間控制設置，可以授權控制全部儀器設備一次能使用的時間長短，管理員也可以通過設置全局時間控制全為0來禁止所有儀器設備的使用。

4 結束語

本文針對實驗室儀器設備管理存在利用效率低、信息采集困難、動態維護困難、丟失情況時有等實際情況，提出了一種采用RFID和ZigBee技術相結合的方案，實現了對實驗室儀器設備和學生二方面的管理，用ZigBee傳感器網絡來定位儀器設備的位置，利用RFID技術來識別使用人的身份，儀器設備可通過對使用人的身份驗證結果來決定是否可以使用并啟動儀器，并且記錄儀器使用信息，便于事后檢查和追溯。將此技術用于實驗儀器設備管理是一種可行的技術方案，也是未來物聯網技術應用的一個方向。

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