ZigBee&RFID技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用

彭小玲　彭小容

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和RFID技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備系統(tǒng)管理平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備和學(xué)生的管理。用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)定位儀器設(shè)備的位置，用RFID技術(shù)來(lái)識(shí)別使用人的身份，儀器可通過(guò)對(duì)使用人的身份驗(yàn)證結(jié)果來(lái)決定是否可使用該儀器設(shè)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(tǒng)采用TI公司的2.4GHz SoC芯片CC2530來(lái)搭建。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，儀器定位位置準(zhǔn)確，RFID讀寫(xiě)速度極快，識(shí)別率高，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞： ZigBee； RFID； 實(shí)驗(yàn)室； 管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP9212.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)校規(guī)模的不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備和耗材等沒(méi)有建立管理信息系統(tǒng)，不利于對(duì)這些設(shè)備和耗材的維護(hù)和管理；對(duì)儀器設(shè)備的管理流程仍按照填單式手工處理方式，這很容易導(dǎo)致遺漏和出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成設(shè)備丟失。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用基于RFID和ZigBee技術(shù)相結(jié)合的解決方案能方便的管理實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備。RFID是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有非接觸性，它利用雷達(dá)反射或者射頻信號(hào)及其空間耦合傳輸?shù)奶匦?，?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別[1]。ZigBee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，它具有雙向性、低成本、低功耗、近距離、低復(fù)雜度、低速率等眾多優(yōu)良特性，較適合于監(jiān)控、自動(dòng)化或遠(yuǎn)程控制、傳感器等領(lǐng)域，可嵌入各種儀器設(shè)備中[2]。本文基于RFID和ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備和學(xué)生二方面的管理，用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)定位儀器設(shè)備的位置，并且通過(guò)ZigBee技術(shù)向控制中心傳輸儀器設(shè)備的狀態(tài)信息，也可接受控制中心通過(guò)上位機(jī)下達(dá)的全局控制設(shè)置[3-4]。RFID技術(shù)能識(shí)別使用人的身份信息，儀器設(shè)備通過(guò)對(duì)使用人的身份驗(yàn)證結(jié)果來(lái)決定是否可以使用該儀器設(shè)備，并且記錄使用情況，這樣就可以通過(guò)查詢(xún)儀器設(shè)備的歷史使用情況來(lái)找到損壞儀器設(shè)備的責(zé)任人。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)基于RFID和ZigBee技術(shù)，借鑒了國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀類(lèi)似系統(tǒng)研究經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)RFID讀卡器設(shè)計(jì)采用NXP公司的13.56MHz的RFID芯片RC522，Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用美國(guó)TI公司的2.4GHz系統(tǒng)級(jí)SoC芯片CC2530來(lái)搭建。

1.1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

⑴ 對(duì)儀器設(shè)備的位置定位；

⑵ 保護(hù)儀器設(shè)備的安全。當(dāng)儀器設(shè)備將要離開(kāi)安全范圍時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警；

⑶ 使用者使用儀器前將進(jìn)行RFID身份驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證才能使用儀器；

⑷ ZigBee系統(tǒng)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(tǒng)電路遭人為損壞，當(dāng)儀器設(shè)備遭強(qiáng)行拆開(kāi)時(shí)，立刻啟動(dòng)聲光報(bào)警來(lái)提示。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由控制中心、基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊、儀器設(shè)備搭載ZigBee和RFID、門(mén)禁RFID以及顯示部分等構(gòu)成，主要框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制中心模塊采用X86作為系統(tǒng)平臺(tái)，基于Windows NT操作系統(tǒng)，搭配VC++作為控制中心軟件運(yùn)行環(huán)境，采用MFC作為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架進(jìn)行控制中心軟件開(kāi)發(fā)。

按照基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的德州儀器公司的ZStack-CC2530協(xié)議棧來(lái)開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信組件，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)、通訊以及節(jié)點(diǎn)控制等功能。

⑴ ZigBee節(jié)點(diǎn)。包括終端節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，采用TI公司的SoC單ZigBee芯片CC2530來(lái)搭建，電路圖和外圍設(shè)備連接自行設(shè)計(jì)。CC2530是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片，集成了性能強(qiáng)大的RF收發(fā)器，基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型的8051處理器，系統(tǒng)級(jí)可編程閃存，大容量?jī)?nèi)存以及串口等眾多外圍接口設(shè)備。

⑵ 傳感器。用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備信息的位置和狀態(tài)感知，包括壓力、振動(dòng)和位移等諸多傳感器。

RFID對(duì)儀器的使用者進(jìn)行身份驗(yàn)證，以便確認(rèn)使用者能開(kāi)啟和使用該儀器設(shè)備。RFID讀卡器采用NXP公司的RC522芯片來(lái)設(shè)計(jì)讀卡器電路，因RC522原裝芯片價(jià)格較低，使用、開(kāi)發(fā)也方便，很適合用來(lái)開(kāi)發(fā)讀卡器、射頻卡終端等。

顯示部分用來(lái)顯示系統(tǒng)在使用過(guò)程中的狀態(tài)信息，可以是指示燈或者聲音提示等。由于本系統(tǒng)是在儀器內(nèi)部工作用以保護(hù)儀器設(shè)備的安全，所以只需一些簡(jiǎn)單的LED狀態(tài)指示燈和聲音來(lái)提示系統(tǒng)工作狀態(tài)。LED狀態(tài)指示供系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用；聲音提示用于用戶(hù)身份驗(yàn)證結(jié)果以及當(dāng)前儀器設(shè)備是否在安全區(qū)域等。

1.3 系統(tǒng)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和RFID技術(shù)相結(jié)合時(shí)，網(wǎng)關(guān)通常用ZigBee節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊來(lái)承擔(dān)，然后通過(guò)ZigBee協(xié)議把RFID讀卡器讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或控制中心[5]，其通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖4是CC2530芯片的基本電路結(jié)構(gòu)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(shè)備也很少，所以只需使用CC2530基本結(jié)構(gòu)就能滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。

2.2 RC522 RFID讀卡器電路設(shè)計(jì)

圖5是RC522芯片用來(lái)設(shè)計(jì)讀卡器的典型應(yīng)用。因?yàn)楸咀x卡器采用查詢(xún)的方式來(lái)識(shí)別RFID射頻卡，所以讀寫(xiě)RFID射頻卡不需要采用中斷技術(shù)來(lái)中斷系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵程序的設(shè)計(jì)

3.1 終端程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用德州儀器公司（TI公司）提供的協(xié)議棧來(lái)開(kāi)發(fā)終端程序，通過(guò)在協(xié)議棧的用戶(hù)任務(wù)列表中添加系統(tǒng)所需功能。

終端程序需要與路由器和控制中心通信，通信內(nèi)容主要包括以下五個(gè)命令：認(rèn)證請(qǐng)求與認(rèn)證確認(rèn)、設(shè)置蜂鳴器、調(diào)試及PING等命令，對(duì)于每個(gè)命令都需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式，流程如圖6所示。

[開(kāi)始][初始化系統(tǒng)

啟動(dòng)協(xié)議棧][是否有市電？] [是否授權(quán)？] [讀卡并請(qǐng)求授權(quán)][發(fā)送PING幀][休眠系統(tǒng)節(jié)電][打開(kāi)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(lèi)型的數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行相應(yīng)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(shù)據(jù)透?jìng)鲙?/

/* 協(xié)調(diào)器處理*/

case CLUS_PING：/*PING幀*/

/* 路由器才會(huì)收到這個(gè)幀*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到認(rèn)證許可*/

/* 終端收到認(rèn)證許可，啟動(dòng)儀器*/

case CLUS_BEP：/*蜂鳴器開(kāi)啟*/

/* 終端處理*/ }}

3.2 路由器程序設(shè)計(jì)

路由器主要用以形成ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包生成路由，將終端發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心，并將控制中心的數(shù)據(jù)回送給終端。

路由器發(fā)送PING幀給控制中心來(lái)監(jiān)視路由的工作狀態(tài)。因?yàn)槁酚善鞑恍枰獌x器管理和報(bào)警功能，所以其PING幀結(jié)構(gòu)和終端程序的PING幀結(jié)構(gòu)一樣，只需把路由器幀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)部分都置為零。路由器處理數(shù)據(jù)幀源代碼如下：

void App_Mess（ afMSPack_t *pk ）

{ frame_ping_t *pPing；

switch （ pk->clusId ）

{ case CLUS_DATA：/*數(shù)據(jù)透?jìng)鲙?/

/* 協(xié)調(diào)器處理 */

case CLUS_PING：/*PING幀*/

/*路由器把測(cè)量的RSSI值加進(jìn)去*/

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

/*然后發(fā)送給PC機(jī)*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到認(rèn)證許可 */

case CLUS_BEP：/*蜂鳴器開(kāi)啟*/

/*終端處理*/ }}

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序使用MFC框架來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。處理串口數(shù)據(jù)部分使用微軟ActiveX 控件Microsoft Communication Control控件來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)。程序窗體采用對(duì)話框窗體設(shè)計(jì)，并且主窗體產(chǎn)生子窗體用于認(rèn)證和顯示調(diào)試信息等。

當(dāng)上位機(jī)程序收到從串口傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀幀頭部分MAC地址信息判斷是從哪個(gè)儀器設(shè)備發(fā)出的，然后從自己維護(hù)的設(shè)備庫(kù)中查找該設(shè)備，如果查不到該設(shè)備MAC信息，那么就創(chuàng)建該儀器設(shè)備并記錄在設(shè)備庫(kù)中。設(shè)備庫(kù)采用鏈表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，便于刪除和添加設(shè)備信息。上位機(jī)就是通過(guò)這種方法來(lái)更新和管理設(shè)備庫(kù)，并時(shí)時(shí)維護(hù)該設(shè)備庫(kù)的信息和實(shí)際儀器設(shè)備信息的一致性。

為了方便系統(tǒng)管理員能批量控制全部?jī)x器設(shè)備，上位機(jī)還提供了一些全局參數(shù)設(shè)置，比如全局時(shí)間控制設(shè)置。通過(guò)全局時(shí)間控制設(shè)置，可以授權(quán)控制全部?jī)x器設(shè)備一次能使用的時(shí)間長(zhǎng)短，管理員也可以通過(guò)設(shè)置全局時(shí)間控制全為0來(lái)禁止所有儀器設(shè)備的使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理存在利用效率低、信息采集困難、動(dòng)態(tài)維護(hù)困難、丟失情況時(shí)有等實(shí)際情況，提出了一種采用RFID和ZigBee技術(shù)相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備和學(xué)生二方面的管理，用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)定位儀器設(shè)備的位置，利用RFID技術(shù)來(lái)識(shí)別使用人的身份，儀器設(shè)備可通過(guò)對(duì)使用人的身份驗(yàn)證結(jié)果來(lái)決定是否可以使用并啟動(dòng)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(shù)用于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備管理是一種可行的技術(shù)方案，也是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方向。

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