基于Zigbee 的智慧實訓室管理系統設計

楊麗

（三門峽職業技術學院 智能制造學院，河南三門峽，472000）

0 引言

當今，工科高校實訓室的設備，種類繁多，使用人員復雜，管理難度大。隨著實訓室的設備增加，工科教學在理論教學、實踐教學互動結合方面的提升，使實訓室的使用率越來越高，給實訓室管理帶來了更高更新的挑戰[1]。傳統實訓室管理主要通過人工方式對設備進行登記和管理，而僅靠實訓室管理人員，已不能滿足現有實訓室發展需求，設備損壞、丟失問題更是層出不窮，對于實訓室的學生預約機制，難以做到合理使用，極大地影響了實訓室的開發性功能。隨著物聯網、大數據、云平臺技術的發展，新型智慧實訓室管理系統已經不再是單純的計算機上位機管理軟件，而是融合現代物聯網新技術，實現實訓室管理系統的智能化和高效化。本系統提出一種智慧實訓室管理系統，融合RFID 信息識別技術、Zigbee無線通訊技術、C#上位機開發技術，實現對實訓室設備的信息采集、登記和管理。

1 系統設計方案

■1.1 設計思路

結合目前高校實訓室設備管理情況，利用大數據、物聯網、云平臺、無線組網技術，構建智慧實訓室管理系統，用以提高管理水平，滿足實訓室建設需求。智慧實訓室管理系統的基本功能是實訓室設備信息采集，為方便實訓設備登記和后期管理，采用在實訓設備上粘貼RFID 電子標簽，后續管理和查驗時，直接通過智能設備數據采集裝置掃描即可，實訓室管理人員根據數據采集系統中的數據，通過上位機進行管理。智慧實訓室管理系統由粘貼在設備上的RFID 電子標簽、智能設備數據采集裝置、Zigbee 通訊模組和PC 端的計算機管理系統組成，系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

■1.2 微處理器選型

實訓設備數據采集器應具有讀取RFID 標簽的功能，同時又要具備信息處理和存儲、傳輸功能，設備的核心處理器選擇STM32F103C8T6，該處理器采用Cortex M3 內核，最高時鐘頻率可達72MHz，同時該芯片具備3個串口、SPI總線、I2C 總線以及大容量的RAM 空間，由于設備信息采集器同時要處理多個RFID標簽信息、又能實時與協調器進行數據交互，因此要求處理器有較高的處理速度，又能夠具備較強的抗干擾性，STM32F1 系列的微處理器作為核心處理芯片，具備抗干擾性強，處理速度快等特點，符合設計要求。

■1.3 無線通信模塊選型

常用的無線通信有LoRa、zigbee、WiFi、藍牙等方式[2]。根據系統設計需求，選用具有自組網功能的Zigbee 模組。國內常用的Zigbee 模塊生產廠商眾多，性能出眾穩定的有成都億佰特、濟南有人科技、深圳周立功等企業的眾多模組，根據設計要求和性價比考慮，選用了E18-2G4Z27SI 模塊作為無線通信模塊，該模塊是成都億佰特設計生產的一款體積極小的2.4GHz 無線模塊，貼片型，引腳間距1.27mm。該系列模塊目前廠家已經穩定量產，并適用于多種應用場景。該模塊的硬件參數如表1 所示。

表1 Zigbee無線通信模塊參數表

2 智能設備數據采集裝置電路設計

智能設備數據采集裝置需要完成RFID 電子標簽的讀寫、數據參數的設置與顯示以及數據存儲、數據上傳等功能。裝置的硬件系統結構包括電源、微處理器、Zigbee 通信模塊、數據存儲、按鍵輸入和液晶顯示部分組成，整體結構框圖如圖2 所示。

圖2 智能設備數據采集裝置結構框圖

■2.1 微處理器最小系統電路設計

微處理器選用Cortex-M3 內核的STM32F103C8T6 型號的處理器，該芯片具有64KB 的Flash 存儲器和20KB 的RAM，共有通用IO 引腳37 個，定時器4 個，能夠實現I2C和SPI 的硬件通信接口協議，方便外圍芯片數據讀寫[3]，最高工作頻率達到72MHz，滿足系統的高速處理數據需求，共有UART 接口3 個，能夠方便擴展串口通信設備。微處理器的最小工作系統電路如圖3 所示。

圖3 微處理器最小系統電路

在最小系統電路中的電源進線端口處增加了大量的退耦電容，以保障處理器系統不受干擾，同時將調試模式的Serial Port 端口引出，用于ST LINK 仿真器進行軟硬件聯合調試使用。

■2.2 RFID 讀寫電路設計

RFID 電子標簽的讀寫采用了NXP 公司開發的MFRC522 讀寫芯片，該芯片內部已封裝了全部類型的相關通信協議，支持RFID 標簽的應答機制，具備錯誤查錯與糾錯機制，能夠快速讀取相關RFID 電子標簽信息。

MFRC522 芯片和STM32 處理器的連接方式采用4 線制SPI 總線，在STM32 軟件中設置采用SPI 硬件通信接口，通過MOSI 將讀取信號發送到讀寫芯片，發射到電子標簽，通過MISO 接口將返回的數據信息讀回處理去內容進行處理和存儲，同時根據處理結果，上傳數據到協調器和PC 端的管理系統軟件中。RFID 讀寫電路如圖4 所示。

圖4 RFID 讀寫模塊電路

■2.3 顯示模塊電路設計

顯示模塊考慮顯示的數據量較大，不適合使用數碼管和字符點陣LCD 進行顯示，綜合考慮性價比后，選擇使用OLED 屏進行數據顯示，OLED 顯示屏是利用有機電自發光二極管設計的電子顯示屏，顯示屏不需要采用背光源，OLED 屏的對比度較高、在同等亮度下，視覺效果更好，功耗更低，響應時間是傳統LCD 的千分之一，反應速度快。

在智能設備數據采集裝置中選用0.96 寸 的OLED 模塊，單色顯示，分辨率為128×64，模塊提供有6800、8080以及4 線的串行SPI、2 線的I2C 總線接口，帶有GB2312 漢字庫和ASCII字符庫，在本裝置中采用I2C 總線模式，接口線只用SCL 和SDA 兩根數據線即可。設計電路如圖5 所示。在電路設計時，綜合考慮后續拓展和設計需求，預留數據線為4 根，能滿足4 線SPI 串行數據接口和2 線I2C 總線兩種模式的OLED顯示模塊，提高使用范圍。

圖5 OLED 顯示屏接口電路

■2.4 通信模塊電路設計

通信模塊選用成都億佰特公司生產的E18-2G4Z27SI。該模塊通信距離遠，能夠實現不通信時的低功耗設計[4]，為方便在后續智能設備數據采集裝置升級過程中能移植使用，將該貼裝模塊設計為通用直插式模塊，系統設計中采用直插底座即可。

模塊的設計電路如圖6 所示。在該模塊電路中設計了5V 轉3.3V 電源電路，能夠使用于5V 供電系統，同時將配置用的AT 和Hex 模式切換端口引出，方便在程序設計時根據需要隨時進行通訊協議的切換，滿足更多需求，發光二極管D1 為網絡連接狀態指示燈，當Zigbee 模塊加入相應的網絡系統后，該指示燈點亮，便于觀察模塊是否接入網絡。同時發光二極管D2 為Zigbee 模塊的運行狀態指示燈，用于顯示模塊是否正常運行，當系統模塊出現死機或者不運行時，系統可以通過RESET 端口進行模塊復位操作。

圖6 Zigbee 通訊模塊電路

3 智慧實訓室管理系統軟件設計

系統采用Visual Studio2019 和SQL Server2012 數據平臺進行計算機端管理系統的軟件開發，采用三層架構模式，有數據訪問層、業務邏輯層和應用層構成，同時系統和數據建立關聯。智能設備數據采集裝置采用C 語言進行軟件設計，主要完成電子標簽的讀寫和數據傳輸功能。

■3.1 智能設備數據采集裝置軟件設計

■3.1.1RFID 讀取程序設計

智能設備數據采集裝置在工作狀態時，首先對周圍實訓設備上的RFID 電子標簽進行讀取，發送命令搜索周圍的電子標簽，根據周圍電子標簽返回的數據信息進行判斷，并對搜索到的電子標簽進行防沖突操作，在多張電子標簽中選取其中一張電子標簽進行通信，驗證相關密鑰成功后即可讀寫相應電子標簽中的設備信息，然后將相關的設備信息顯示在OLED 屏上，同時數據上傳，然后進行下一張電子標簽數據的讀取，直到所有電子標簽通信完成。

在讀取RFID 標簽中經常會出現周圍所有標簽被激活，也就是RFID 的讀寫沖突，為解決這一問題，程序設計了防沖突程序[5]，智能設備數據采集裝置首先發送Manchester編碼，碼元中的副載波攜帶兩部分信息，當返回的電子標簽信息中含有“0”和“1”信息，表明此時存在電子標簽沖突，數據采集裝置向所有電子標簽發布此處碼元沖突的選擇數字“1”標號進行通信，依次逐個類推，最終選擇其中一張電子標簽進行信息讀取，其他設備上粘貼的電子標簽等待下次命令進行數據讀取。防沖突程序流程如圖7 所示。

圖7 防沖突算法流程

3.1.2 數據通訊程序設計

STM32F103C8T6 首先掃描周圍RFID 電子標簽，通過防沖突算法逐個讀取實訓設備電子標簽的信息，然后根據通信協議將采集到的所有設備數據信息打包上傳到協調器，由協調器將數據包轉發至計算機的實訓室管理系統，最終在實訓室管理系統中進行數據解析，然后將數據保存、顯示在上位機管理頁面。

智能設備數據采集裝置采集到的數據需要經zigbee 通信模組發出，微處理器和zigbee 模塊之間的通信方式采用串口連接方式，數據包采用Hex 數據傳送，zigbee 模塊的參數設置需要通過AT 命令模式進行設定，所有通信模塊需要在運行過程中進行數據格式切換，數據通信程序流程如圖8 所示。

圖8 數據無線通信模塊程序流程

■3.2 智慧實訓室管理系統協議設計

智能設備數據采集裝置與上位機管理軟件之間的數據交互一定要遵循設計好的通信協議，也就是智能設備數據采集裝置將掃描到的RFID 標簽信息數據打包發送為協調器，協調器將接收數據轉發到PC 機端的上位機管理系統軟件，由上位機對數據包進行解析，然后經協調器轉發回系統管理軟件的回復命令。

在智慧設備數據采集和上位機管理系統之間數據協議規定了數據包的格式，數據包包含數據頭、數據目標地址、數據包長度、命令字、數據段、校驗數據和數據尾組成，數據頭設置為0xFE，協議的格式如表2 所示。

表2 通信協議格式

當PC 端上位機接收到數據頭后，開始將數據接收并存儲到數據緩沖，然后根據接收到的數據包長度完成整個數據組的接收，按照規定的數據校驗方法對接收數據進行計算，和接收的校驗數據進行比對，當發現數據校驗結果不正確時，將相應的數據丟掉，然后開始下一組數據接收，當接收到正確數據時，按照數據的命令字要求完成數據的對應處理。

■3.3 智慧實訓室管理系統上位機軟件設計

計算機端的上位機軟件智慧實訓室管理系統的整體結構如圖9 所示。

圖9 實訓室管理系統軟件結構框圖

三層架構的數據訪問層主要是對數據庫進行管理，實現數據庫信息的讀取、查詢、存儲等處理。業務邏輯層主要通過數據訪問層的對數據庫的數據信息表進行增刪改查，實現訪問數據層和數據上傳應用層的橋梁作用。應用層的功能主要是解決面向用戶的操作和顯示問題，接收業務邏輯層上傳的數據，同時下發用戶的操作命令，為用戶提供直觀和操作便捷的人機交互界面，實現實訓設備的管理和查詢及修改等功能，同時能實現用戶的管理。根據實訓室使用人員的調研，應用層的界面包括登錄界面、用戶管理、設備管理、設備查詢等功能。

4. 智慧實訓室管理系統功能測試

■4.1 智慧實訓室管理軟件下位機功能測試

智慧實訓室管理系統功能測試分兩部分完成，一部分是下位機的智能設備數據采集裝置功能測試，首先搭建了智能設備數據采集裝置整個硬件系統，數據采集裝置系統如圖10 所示。

圖10 實訓室管理系統下位機功能測試

數據采集裝置包括微處理器控制器和射頻采集天線，實訓設備采用盒子粘貼RFID 電子標簽進行模擬，控制器通過天線對周邊的實訓設備上RFID 電子標簽進行掃描和數據信息讀取，然后通過板載的Zigbee 通信模塊將數據傳送到接收協調器中，由協調器將數據包轉發至PC 機。

通過功能測試，系統能通過防沖突算法完成多個標簽數據的讀取，并將數據上傳至協調器。

■4.2 實訓室管理系統上位機功能測試

PC 端的實訓室管理系統功能測試采用USB 接口的Zigbee 通信模塊進行，首先通過配置軟件對模塊進行參數配置，設置該模塊為協調器。然后啟動上位機軟件，等待Zigbee 協調器啟動建立無線網絡，然后再啟動智能設備數據采集裝置，數據采集裝置的Zigbee 模塊由軟件設置為終端，自動加入協調器組建的無線網絡，然后將實驗用模擬實訓設備（帶有RFID 標簽的盒子）靠近數據采集裝置，調用實訓室管理系統的設備查詢，檢查設備是否全部能夠查詢到，功能測試方式如圖11所示。

圖11 實訓室管理系統軟件功能測試

在經過基本功能測試后，對用戶管理功能、設備管理功能、設備使用功能及設備查詢逐一進行功能測試，各項功能滿足設計要求。

5 結語

通過本課題的研究，最終設計完成了基于物聯網的智慧實訓室管理系統，該系統由兩部分組成，一是智能設備數據采集裝置，主要完成設備電子標簽的信息讀取和數據上傳功能，二是PC 端的智慧實訓室管理系統，主要用于完成用戶操作，實現用戶管理、設備管理、設備使用、設備查詢盤點等。使用該系統的模式框架后，能夠大幅度方便實訓室設備管理和使用，尤其是在實訓室設備盤點查詢時能夠快速實現，避免管理員的逐個清點工作，提高實訓室管理效率。