Zigbee技术的实验设备管理范文

摘要：

将Zigbee技术与RFID无线射频识别技术结合，设计一个实验设备管理系统，提供一个智能管理平台，对实验室内的设备进行统一管理和维护；监控实验室设备日常运行的指标，对于异常情况，发送报警短信至设备责任人及当前使用者做相应处理；通过系统测试，验证了该系统的可行性和有效性。

关键词：

Zigbee技术；RFID；实验设备；管理系统

随着科学技术的发展，越来越多的企业、教育机构、政府机构都配备了各自的实验室，伴随而来的是大量的实验室设备，包括大型的、中型的、小型的、精密的仪器等，这也就带来了许多实验设备的管理问题。及时有效地掌握设备的运维状况和设备的使用信息，可以最大限度避免实验设备使用者对设备信息不了解而造成的意外损坏，这需要有效的信息化管理控制手段，以加大对实验室设备的管理，避免不必要的经济损失。目前，大多数的实验室采取的设备管理方式只针对设备使用人员进行，在使用设备时，仅仅只是对使用者进行简单的登记，并没有太多的约束作用，不能做到实时控制实验室设备的情况。因此，搭建一个实验室设备管理平台就显得很有必要，良好的平台可为每一个实验室服务，实时监控实验室中设备运行情况，根据数据库中的安全数据，及时发现设备异常并通知相关人员处理，多方位控制实验室设备运行，多渠道通知设备异常，快速有效实施实验室设备管理，减少因人为过失等不必要原因造成的设备损失及安全事故。

1系统设计

1.1整体结构设计基于RFID和Zigbee技术的实验设备管理系统包括设备智能管理节点、Zigbee通信网络、管理系统服务器和GSM手机端四个部分。设备智能管理节点与某一个对应的实验设备绑定，每个节点上集成RFID读卡器模块、Zigbee无线通信模块、继电器模块和传感器模块。多个设备智能管理节点使用Zigbee无线通信自组网技术构成一个多跳无线通信自组网，每个设备智能管理节点即作为信息采集终端节点又作为信息中转Zigbee路由节点，各个设备智能管理节点采集的信息经过多跳传输后，最终通过Zigbee协调器发送给管理服务器。管理服务器端对采集到的数据处理和分析，通过其USB接口转串口连接GSM短信Modem，采用SMS短消息的方式，推送实验设备管理系统的设备异常告警信息，和接收GSM手机端发来的控制指令。GSM手机端安装自主开发的控制APP软件，用于显示从管理服务器端发来的实验设备状态信息，并反向远程控制设备智能管理节点，通过终端节点上的继电器模块控制实验设备电源，以达到远程智能监管和控制实验设备目的。其系统整体结构设计如图1所示。

1.2节点硬件设计节点硬件设计主要包括Zigbee协调器和设备智能管理控制节点硬件设计。Zigbee协调器根节点主芯片使用STM32-M3-260，处理器采用基于ARM内核Cortex-M3的微控制器STM32F103C8T6，无线传感器模块采用意法半导体的ZB260模块，保证网络传输的可靠性。设备管理控制节点采用STM32W108无线Zigbee芯片，其集成了一个经过优化的ARMCortex-M3微处理器，支持非特权操作和特权操作。其中非特权操作允许程序员调度事件，但不允许篡改寄存器及内存禁止访问区域，而特权操作则没有限制，可以访问Zigbee芯片中的所有寄存器、内存等各种资源。特权操作主要用在Zigbee协议栈软件，非特权操作则用于应用软件。节点硬件设计结构如图2所示。其中传感器模块负责监测区域内信息的采集，主要包含温湿度传感器和烟雾传感器两大模块，温湿度传感器模块采用SHT11数字温湿度传感器，烟雾传感器模块采用MQ-2气体传感器作为烟雾和气体信号的采集器件[4]。RFID读卡器模块负责对实验人员的身份识别，核心读卡芯片使用MFRC522。NXP公司的MFRC522芯片是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，该芯片在13.56MHZ工作，采用先进的调制和解调技术，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和通信协议[4]。读卡芯片中包含发送器和接收器，无需其他额外电路即可驱动天线与应答机的通信。接收器部分通过调制解调电路来处理应答器信号，数字部分负责奇偶校验、CRC冗余等错误检测及ISO14443A帧处理。设备智能管理控制节点作为整个系统里面功能实现最直观模块，节点设计主要功能一是能够接入协调器所创建的Zigbee网络；二是能够通过传感器实时采集设备信息；三是驱动RFID射频读卡器，读取实验设备用户IC卡信息；四是将IC卡用户身份信息、传感器设备状态信息等封装在一定的数据格式包中，发往协调器，在服务器端处理后，接受服务器通过协调器发回的信息，通过这些信息做出响应，驱动继电器模块控制所连接的实验设备。

1.3Zigbee网络设计多个设备智能管理节点通过Zigbee自组网功能组建一个多跳无线传感器网络，当Zigbee协调器启动建立网络完成后，允许其它路由和终端节点加入到网络中，节点申请加入Zigbee网络时，先进行节点扫描，将符合协议规定的设备信息储存起来，并从这些设备中选取最合适的节点作为父节点尝试连接，当连接成功，父节点会为子设备分配一个在网络中唯一的标识。除协调器节点外，子节点都以路由器的形式加入到网络中，增加网络的覆盖范围和灵活性。图3为路由节点的入网流程图。设备智能管理节点开始工作后，当用户需要使用设备刷卡时，从RFID射频读卡器上读取用户授权卡号信息，并通过一定的数据格式发送给协调器，协调器接收到信息后通过USB传输将数据传输至管理系统服务端。服务端部分完成数据的提取、分析后将返回信息发往协调器，最后由协调器根据目的地址将信息发往相应节点，终端节点根据服务器端的返回信息作出响应。图4为Zigbee节点间数据传输流程图。

1.4管理系统服务器设计如图5所示，管理系统服务器由三个模块共六个线程组成，各模块相对独立，又由数据相互关联。三个模块各自分工明确：数据处理线程总理系统数据的调度、转发，主要接收处理串口收到的数据，按照给定的格式对由串口收到的数据进行分析处理，按照既定规范，将数据转发给TCP模块、主界面、GSM模块，并统一由数据处理线程对数据库进行设备运行相关的数据库读写操作，同时定时监控设备是否长时间未发送信息，若时间超过指定时长，则认为该设备处于离线状态。主界面显示设备当前运行状态，并可对系统参数进行设置，主要功能有：显示存在数据库中的设备，并显示在线设备运行状态；进行系统相关参数设置（串口设置、模块设置、数据库连接设置），设置信息保存于本地，当下次打开系统的时候自动读取相关参数，打开系统；查看设备历史使用记录，读取数据库相关表，获得设备历史运行状态，包括报警记录等；添加用户、设置用户使用设备权限；修改设备运行参数。GSM模块，将缓存区数据解析发送至相应手机短信，主要是为了多方位的通知设备责任人及设备使用者，告知设备的异常状况，主要实现以下功能：将指定的报警信息发送至设备责任人及设备使用者（若无当前使用者，则发送给设备责任人）；接收由设备责任人或设备使用者发送的短信，经过解码后，将指令通过串口发送至Zigbee网络，快捷地远程管控设备。由于系统预设是实时运行的，而各设备智能管理节点的默认参数都是相同的，所以在使用节点前需要对节点进行初始化工作，将设备智能管理节点按照需求进行初始化，节点相关信息录入数据库，使设备接入系统时能正常运行。数据库存储用户信息、设备参数、设备使用信息、设备权限信息、设备环境状态信息、设备异常信息等。

2系统测试

系统测试前，先搭建系统环境，包括以下步骤：1)使用串口转USB线连接协调器，并安装USB转串口驱动；2)使用串口转USB线连接GSM模块；3)打开设备智能管理节点；4）开启上位机管理系统；5)配置管理系统相关运行参数。测试时，打开SQLServer数据库服务，导入相关数据库；运行系统软件，配置相关参数：串口信息（波特率、数据位、停止位和奇偶校验）、数据库信息（数据库地址、账号、密码和数据库名）、模块信息（TCP模块和GSM模块是否打开），设置完成后，连接数据库打开系统服务，数据经由协调器转发至服务器，获得数据。当超出正常的设定参数，即设备出现异常时，则发送报警短信，不同异常情况发送不同内容的短信信息，如图7所示短信显示温度橙色警报，用户可根据情况通过手机APP可远程控制设备电源的通断，保护设备与实验室的安全。用户刷IC卡开机/关机，根据是否有权限有刷卡开机请求成功或请求失败二种可能，图8所示为已授权情况下刷卡请求成功获得刷卡消息。

3结束语

设计了一个基于Zigbee技术和RFID技术的实验设备运行管理系统，对该系统的结构设计、节点硬件设计、Zigbee网络设计和管理系统服务器设计做了详细介绍，系统经实际运行测试，能对实验室的设备通过刷卡进行授权使用管理；能实时采集实验室内设备的环境参数，包括温湿度、烟雾浓度等；比照该设备设定的相应参数安全数值，超过安全数值出现异常情况时，在上位机系统服务器主界面、手机APP、手机短信都会产生相应的报警信息，提示设备使用者和责任人通过服务器或手机APP客户端对实验室设备异常做及时处理。应用该管理系统，可将实验室设备的管理责任落实到具体责任人，并对设备进行远程智能化管理，对快速有效管理实验室设备具有重要意义。

参考文献

[1]梁志明，李磊.基于Zigbee技术的大型仪器设备管理系统[J].实验技术与管理，2011(12)：100-103.

[2]郭瑞，李胤，王永超，等.基于ZigBee技术的RFID装备管理系统设计[J].测控技术，2011(5)：89-93.

[3]郭鹏，张海燕，刘振永，等.基于RFID的实验设备管理系统设计[J].实验技术与管理，2015(3)：255-258.

[4]饶绪黎，张美平，马现虎.基于物联网技术的实验设备运行监控管理系统设计[J].山东大学学报（理学版），2012(11)：74-77.

[5]饶绪黎，张美平，许力.基于Zigbee技术的RFID读卡系统设计[J].山东大学学报（理学版），2013(7)：62-67.

作者：饶绪黎 蔡东蛟 单位：福州职业技术学院网络工程系