基于ZigBee技術(shù)的開放性實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

2014-06-28 19:35:43葉恒校王慶泉何鵬飛項偉凱

科技視界 2014年11期

葉恒?！⊥鯌c泉　何鵬飛　項偉凱

【摘要】本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合超高頻射頻識別（UHF RFID）技術(shù)設(shè)計出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的開放性實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對實驗室現(xiàn)場的監(jiān)控，能夠?qū)嶒炇以O(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實現(xiàn)了對實驗室安全的自動化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實驗室設(shè)備管理的效率和實驗室智能化管理水平，滿足實驗室設(shè)備管理和安全管理對實時性和便捷性的要求。

【關(guān)鍵詞】開放性實驗室；設(shè)備管理；Zigbee；RFID

Design of Open Laboratory Management System Based on Zigbee

YE Heng-xiao WANG Qing-quan HE Peng-fei XIANG Wei-kai

（Mechanical & Electrical Engineering College， Jiaxing University， Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】An open laboratory equipment management system is designed for remote monitoring via the Internet based on ZigBee wireless network， combined with UHF radio frequency identification （UHF RFID） technology. The system complete the automation of laboratory site monitoring and achieve tracking and positioning laboratory equipment in full life cycle. In practice， it is effectively improved that the equipment management efficiency and intelligent management level. The system meet laboratory equipment management and security management for real-time and convenience requirements.

【Key words】Open laboratory；Equipment management；Zigbee；RFID

0 引言

近年來，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生科技活動大眾化、日?；?，我院陸續(xù)建立了機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新基地、電子信息創(chuàng)新實驗室等開放性實驗室，為學(xué)生自主開展科學(xué)研究和科技競賽活動提供了實驗室空間和資源。但與教學(xué)型實驗室相比，開放性實驗室的人員和設(shè)備流動性較大，開放時間長，增大了實驗室管理人員的設(shè)備管理工作量和安全監(jiān)管難度。因此，如何實現(xiàn)實驗室全方位開放和實驗室安全高效的管理已成為實驗室管理人員亟待解決的重要問題。在此背景下，本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合超高頻射頻識別（UHF RFID）技術(shù)設(shè)計出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的開放性實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)[12-14]。系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對實驗室現(xiàn)場的監(jiān)控，能夠?qū)嶒炇以O(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實現(xiàn)了對實驗室安全的自動化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實驗室設(shè)備管理的效率和實驗室智能化管理水平，滿足了實驗室設(shè)備管理和安全管理對實時性和便捷性的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)由粘貼在設(shè)備上的電子標(biāo)簽、ZigBee終端節(jié)點（RFID讀寫器/閱讀器）、ZigBee路由節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器（ZigBee/Ethernet網(wǎng)關(guān)）、應(yīng)用管理服務(wù)器等幾部分組成[6]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電子標(biāo)簽采用超高頻無源射頻標(biāo)簽[15]，內(nèi)部貯存設(shè)備的編號、規(guī)格型號、維修記錄、存放地點、價格等相關(guān)信息。終端節(jié)點的超高頻RFID讀寫模塊讀取輻射范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，經(jīng)由板載的ZigBee射頻模塊把RFID采集的設(shè)備信息發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)//協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點同時接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的控制信息并傳輸給RFID讀寫模塊。根據(jù)工作方式劃分，終端節(jié)點又可劃分為固定式RFID讀寫器和手持式RFID讀寫器兩類[5]。其中，固定式RFID讀寫器分布在各個實驗室入口處，主要負(fù)責(zé)設(shè)備出入定位，手持式RFID讀寫器用于日常設(shè)備巡檢和電子標(biāo)簽管理。ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器安裝于ZigBee無線傳感網(wǎng)和以太網(wǎng)之間，收集來自各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳遞給以太網(wǎng)中的應(yīng)用管理服務(wù)器。通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了ZigBee數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng) TCP / IP數(shù)據(jù)包的透明傳輸，用戶無需訪問無線傳感網(wǎng)中的各個終端節(jié)點就可以收集相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。應(yīng)用管理服務(wù)器負(fù)責(zé)通過以太網(wǎng)接口接收來自ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點上傳輸來的設(shè)備數(shù)據(jù)，并保存在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫中。同時服務(wù)器通過以太網(wǎng)向ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出用于控制RFID讀寫模塊的命令。另一方面，服務(wù)器提供局域網(wǎng)web服務(wù)，方便實驗室管理人員通過訪問服務(wù)器查看設(shè)備記錄數(shù)據(jù)庫[7]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器、ZigBee路由節(jié)點、終端節(jié)點。

2.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器設(shè)計

ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器由以下部件構(gòu)成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射頻通信板、擴(kuò)展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、復(fù)位電路、時鐘電路和調(diào)試電路等，構(gòu)成微控制器最小系統(tǒng)。EMZ3118射頻通信板實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點功能。EMZ3118是上海慶科公司生產(chǎn)的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可編程應(yīng)用模塊，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無線解決方案，其發(fā)射功率達(dá)到100mW，發(fā)射距離遠(yuǎn)，信號穩(wěn)定，可滿足低成本的無線傳感網(wǎng)需求。采用該模塊降低了使用STM32W108芯片時硬件設(shè)計的難度。擴(kuò)展底板上包含電源電路、以太網(wǎng)接口電路、液晶驅(qū)動電路、鍵盤接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口結(jié)構(gòu)

EMZ3118整合了ZigBee射頻（RF）前端，帶有外部射頻功率放大器，最大傳輸功率輸出在-7～20dbm之間可編程，其視野范圍內(nèi)最大傳輸距離可達(dá)1.6km，RF數(shù)據(jù)速率250kb/s。模塊有36個輸出引腳，其中有24個GPIO輸出端口引腳，4個中斷端口引腳，6路12位A/D端口引腳，支持兩路串行接口（UART/SPI/I2C）。設(shè)計中EMZ3118模塊通過SPI接口與STM32F107VCT連接。模塊的外部功放是通過STM32F108W的4個引腳來控制，其中PA3口控制外部功放電源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模塊發(fā)射/接收操作模式，PA7控制輸出天線接口類型。

2.1.2 以太網(wǎng)接口電路

網(wǎng)關(guān)主控制器STM32F107VCT內(nèi)部已集成介質(zhì)訪問控制器（ MAC），支持 10M/100M 的以太網(wǎng)通信，提供了MII和 RMII兩種接口模式。設(shè)計中主控芯片需要通過外部物理層接口芯片才能連接到物理層LAN總線。設(shè)計中使用DP83848VV，該芯片是TI公司生產(chǎn)的全功能低功耗10M/100M單端口物理層接口芯片。為了簡化設(shè)計，設(shè)計中主控芯片和DP83848VV間采用RMII接口模式，這樣RMII數(shù)據(jù)收發(fā)上比MII接口少了一倍的信號線。RMII接口模式下要求的50M總線時鐘則由外部有源晶振SM7745DEV提供。網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)通信還需要 RJ-45 接口，設(shè)計中選用了漢仁公司的網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A，該網(wǎng)絡(luò)變壓器集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ-45接口，可滿足IEEE 802.3的電氣隔離要求，解決前端信號因衰減、損耗等原因引起的數(shù)據(jù)丟包、傳輸中斷等問題，從而有效保障了無失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號，并抑制輻射發(fā)射。

2.1.3 人機(jī)交互接口電路設(shè)計

人機(jī)接口包括4個通用彩色LED指示燈，帶選擇鍵的 4 向操作桿，通用按鍵、喚醒鍵和入侵檢測按鍵，帶觸摸屏的3.2“TFT 彩色 LCD 顯示屏。LCD 顯示屏采用AM-240320D4TOQW，內(nèi)置驅(qū)動器ILI9320，分辨率240（RGB）×320像素，可選SPI串行數(shù)據(jù)接口和18位RGB 并行數(shù)據(jù)接口。設(shè)計中數(shù)據(jù)接口采用SPI接口，觸摸屏的4位數(shù)據(jù)接口通過外部I/O 擴(kuò)展芯片STMPE811連接。

2.2 ZigBee終端節(jié)點設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點由主控制器、超高頻RFID讀寫單元、ZigBee射頻單元、液晶驅(qū)動、溫濕度傳感器、鍵盤、調(diào)試電路等組成?；诔杀究紤]，終端節(jié)點的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射頻單元和人機(jī)交互電路與網(wǎng)關(guān)采用相同設(shè)計。設(shè)計中主控制器通過ZigBee無線接口接收服務(wù)器發(fā)送的指令并解析，實現(xiàn)對超高頻RFID讀寫單元的控制和操作，同時將超高頻RFID讀寫單元所采集的信息無線傳輸給服務(wù)器。因此，終端節(jié)點設(shè)計中超高頻RFID讀寫單元是設(shè)計中的重點和難點。

2.2.1 超高頻RFID射頻電路設(shè)計[8-9]

RFID射頻模塊采用超高頻RFID讀寫器專用芯片AS3993[3]。AS3993是奧地利微電子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID閱讀器芯片，實現(xiàn)了完備的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，在直接閱讀模式下兼容ISO 18000-6A/B標(biāo)準(zhǔn)。該芯片集成度高，集成了模擬前端和底層協(xié)議處理，內(nèi)置壓控震蕩器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收靈敏度達(dá)到90dB，支持跳頻、數(shù)據(jù)底層傳輸編解碼、數(shù)據(jù)組幀和循環(huán)冗余校驗，具有低功耗的特點，并且對由天線反射回波等引起的干擾具有免疫效果。這對本文中移動式巡檢器和固定式閱讀器的設(shè)計極其重要。因為在RFID讀寫器設(shè)計中，天線設(shè)計經(jīng)常遭受成本或尺寸限制。高靈敏度可使RFID讀寫器設(shè)計在達(dá)到自身要求的同時，可以使用更簡單和便宜的天線，從而降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計難度。本文設(shè)計中把以AS3993為核心的閱讀器模擬前端設(shè)計成模塊，這樣模塊可以很方便的與控制器STM32F103通過SPI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.2.2 傳感器電路設(shè)計

終端節(jié)點的溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器用于檢測實驗室的環(huán)境參數(shù)。設(shè)計中溫濕度傳感器采用SHT11，其內(nèi)置14位AD，串行數(shù)字輸出，相對濕度精度達(dá)到±3RH，溫度測量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口與控制器通訊。光強(qiáng)傳感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中斷輸出接口，可編程設(shè)置光強(qiáng)度上下閥值，其模擬增益和數(shù)字輸出可程控控制，適用于實驗室光照控制和安全照明的應(yīng)用。

3 ZigBee無線組網(wǎng)策略[11]

ZigBee有星型（Star）、樹型（Cluster Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）三種組網(wǎng)方式?？紤]到各個開放實驗室分布在同一樓層的不同房間，覆蓋面廣，并且距離相距較遠(yuǎn)，需要ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個樓層，并具有較遠(yuǎn)的通信距離，同時要求ZigBee具有較高的可靠性和健壯性。綜合考慮三種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點，設(shè)計中采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。各個安裝在實驗室出入口的固定式閱讀器的ZigBee節(jié)點全部作為全功能設(shè)備，與分布在實驗室內(nèi)的各路由節(jié)點組成的的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋了整個樓層，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和覆蓋范圍，便于移動式巡檢器在整個樓層范圍內(nèi)的可靠有效工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)軟件采用uCOS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)和外圍模塊底層驅(qū)動、網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層協(xié)議和應(yīng)用程序設(shè)計等部分。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，應(yīng)用程序劃分為系統(tǒng)驅(qū)動和控制任務(wù)、文件管理任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、Zigbee組網(wǎng)任務(wù)、WSN通信交互任務(wù)、以太網(wǎng)通信交互任務(wù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)等，由uCOS-II內(nèi)核統(tǒng)一調(diào)度管理。

4.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點負(fù)責(zé)RFID設(shè)備數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)采集，實時將采集到的數(shù)據(jù)回傳網(wǎng)關(guān)。軟件可劃分為主程序和底層驅(qū)動程序。。系統(tǒng)上電后，首先對硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括對AS3993工作模式、輸出功率等參數(shù)的設(shè)置，以及對Zigbee模塊的初始化設(shè)置。隨后請求加入Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，獲準(zhǔn)后控制AS3993發(fā)出讀寫標(biāo)簽命令，掃描是否有標(biāo)簽處于有效區(qū)域內(nèi)。如果有效區(qū)域內(nèi)有多個標(biāo)簽存在，則啟用時隙隨機(jī)防碰撞算法，讀取單標(biāo)簽有效數(shù)據(jù)。接著讀取終端節(jié)點的溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，最后把讀取的數(shù)據(jù)回傳到網(wǎng)關(guān)。底層驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了AS3993和EMZ3118模塊的SPI接口驅(qū)動。上層應(yīng)用程序通過接口函數(shù)實現(xiàn)對AS3993和EMZ3118模塊的各種操作。

5 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)布置5個固定式RFID閱讀器節(jié)點和1個移動式RFID閱讀器節(jié)點，5個路由節(jié)點、1 個協(xié)調(diào)器和一臺應(yīng)用服務(wù)器，在我校機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新基地、電子信息創(chuàng)新實驗室進(jìn)行了性能測試。5個固定式RFID閱讀器節(jié)點分布在5個實驗室入口處，采用 3.3 V 穩(wěn)壓電源供電，固定式節(jié)點中的Zigbee模塊設(shè)置為全功能設(shè)備，可作為路由節(jié)點。移動式閱讀器節(jié)點采用3V電池供電。4個路由節(jié)點分布在同層樓道，每個路由節(jié)點相距40米，1個路由節(jié)點布置在監(jiān)控室。通過測試，終端節(jié)點與路由節(jié)點的的最大無丟包通訊距離達(dá)到70米，100米范圍內(nèi)丟包率小于2%。在10米范圍內(nèi)，可以無丟包穿過普通墻壁和房門的阻擋。RFID閱讀器的讀寫距離在無遮擋條件下達(dá)到5米，可以滿足實驗室日常設(shè)備定位的需要。在移動時巡檢設(shè)備中，可以在3米范圍內(nèi)防碰撞對單一設(shè)備標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，滿足移動巡檢設(shè)備需要。分布在各個實驗室的溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器實時監(jiān)測實驗室環(huán)境參數(shù)的誤差滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

本文將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對實驗室現(xiàn)場的監(jiān)控，能夠?qū)嶒炇以O(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實現(xiàn)了對實驗室安全的自動化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實驗室設(shè)備管理的效率和實驗室智能化管理水平，滿足實驗室設(shè)備管理和安全管理對實時性和便捷性的要求。通過系統(tǒng)性能測試，驗證了設(shè)計的有效性和可行性，可為其他兄弟院校的實驗室智能管理提供借鑒和參考。

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[責(zé)任編輯：丁艷]