基于ZigBee的開放實驗室無人值守監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

謝杰

摘要

介紹了關(guān)于開放實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計思考，文章論述了一套在ZigBee的基礎(chǔ)上開放，用于遠程監(jiān)控實驗室的系統(tǒng)。使用短程無線技術(shù)ZigBee建立無線傳輸網(wǎng)絡(luò)用于實驗室內(nèi)部，進行實時監(jiān)控門窗磁，煙霧，火焰和人體紅外線等具體的安防參考數(shù)據(jù)。具體檢測數(shù)據(jù)將從專用協(xié)調(diào)器經(jīng)過GSM模塊系統(tǒng)以短信的形式發(fā)送到使用者手機上，真正的實現(xiàn)實驗室實時遠程監(jiān)控，對開放實驗室無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的探究提供有益借鑒和研究。

【關(guān)鍵詞】無人值守 ZigBee 設(shè)計思考

隨著不斷地創(chuàng)新實驗室教學(xué)變革，提高學(xué)生的實踐能力與整體水平，開放實驗室也都成為了高校實驗室不可或缺的一部分，為學(xué)生展開各項實驗活動創(chuàng)造了一個自由發(fā)展的環(huán)境，不過實驗室的管理系統(tǒng)并不完善。為提升開放實驗室的使用和管理，使值班教師的工作量相對減少，于是，實驗室的開放管理，使得無人值守監(jiān)控系統(tǒng)開始發(fā)展起來。

1 開放實驗室的意義分析

開放實驗室即充分尊重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的自覺性，提高學(xué)生在實驗室學(xué)習(xí)過程中的自我管理和自我學(xué)習(xí)的情況下，高校實驗室在確保完成學(xué)校計劃內(nèi)的教學(xué)科研任務(wù)之外，積極使用高校實驗室已有的各種信息以及各種資源和設(shè)備等，針對高校學(xué)生進行免費開放使用，進而為學(xué)生在課堂教學(xué)之外能夠進行和學(xué)習(xí)有關(guān)的一切科學(xué)研究和自主實驗學(xué)習(xí)等活動打下良好基礎(chǔ)?，F(xiàn)如今伴隨高校正逐漸重視和加大對實驗室的建設(shè)，我國高校中包括工科類高校的實驗室資源已經(jīng)非常豐富和完善，建立了不同種類的大型開放實驗室實訓(xùn)基地，比如工程實訓(xùn)基地和一些相關(guān)的高級職業(yè)技能實踐基地以及多媒體圖書室等，很大程度地完善了學(xué)生在課堂后的學(xué)習(xí)，提高了高等學(xué)校的教育質(zhì)量。

2 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee是一種新型的短程的、簡單的、便宜的、性價比高的雙向無線網(wǎng)絡(luò)。十分適用于新型的智能家居和實驗室等相對于數(shù)據(jù)量和信息不大的體系中。文中探討的開放實驗室無人值守體系，不受光照溫度濕度等因素的影響，將安防系統(tǒng)作為重要因素，使系統(tǒng)簡潔明了，通過ZigBee技術(shù)作為協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，最大程度的利用ZigBee協(xié)調(diào)器功耗小的優(yōu)點，不用接通實驗室的強力電供電，僅僅借助電池就能夠?qū)崿F(xiàn)長時間運行，使無人值守真正的實現(xiàn)。對比市面上現(xiàn)有的各類有線以及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是性價比最好高最合適的。同時由于Zigbee的數(shù)據(jù)速率低以及接力通信的優(yōu)點，這也其在數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務(wù)中的優(yōu)勢。

3 Zigee網(wǎng)絡(luò)在實驗室管理中的應(yīng)用

在現(xiàn)實應(yīng)用中，實驗室管理員可以把遠程計算機放在自己的工作辦公室以及居住地等容易操作的位置，開放實驗室的考勤管理以及實時監(jiān)控數(shù)據(jù)都體現(xiàn)在遠程計算機上?？梢栽趯嶒炇业膲Ρ谏习仓弥鞴?jié)點，而在改裝后的實驗室電子端上設(shè)置子節(jié)點，在實驗室的門上安置射頻卡讀卡器，使用開放實驗室的學(xué)生必須使用同一的卡才能進入開放實驗室，刷卡之后10秒，主節(jié)點的門會立即關(guān)閉，后面來的學(xué)生想要繼續(xù)進入必須再次刷卡，在正對著主節(jié)點硬件門的墻壁吊頂上安置視頻監(jiān)控器，用于實時監(jiān)控當(dāng)進入的學(xué)生，當(dāng)實驗室們打開時實施抓拍照片。另外實時監(jiān)控抓拍的照片跟讀卡器讀出的學(xué)生學(xué)號等相關(guān)信息為了集中的考勤記錄和管理全部發(fā)往在程序中設(shè)定的電子郵箱地址或遠程服務(wù)端。在學(xué)生刷卡進入之后，實驗室的空調(diào)和窗簾以及照明系統(tǒng)將會按照程序中設(shè)定好的模式啟動。此外，實驗室的學(xué)生以及實驗室管理者都能通過Zigbee技術(shù)后期實時的查看和修改開放實驗室各儀器和設(shè)備的模式和工作參數(shù)，比如可以改變空調(diào)開啟時的溫度，掃風(fēng)模式，多功能鐘的時間和模式等。在實驗室的學(xué)生離開時，將ZigBee主節(jié)點的關(guān)閉功能打開，這時實驗室相關(guān)的設(shè)備將停止工作。而與學(xué)生有區(qū)別的是，實驗室管理者在擁有以上權(quán)限的操作之外，還能夠通過遠程計算端使用線上網(wǎng)絡(luò)對開放實驗室的主節(jié)點進行訪問，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理查看實驗室各設(shè)備的運行狀況，實驗室管理者還能夠調(diào)取近期進入開放實驗室學(xué)生的進入相片記錄和考勤記錄。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件系統(tǒng)是在TI公司的z-Stack 2007協(xié)議棧上完成的軟件系統(tǒng)，應(yīng)用了星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)造。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中扮演了管理者和后期維護者的角色，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于打造一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進而通過這個軟件實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)通信的想法。協(xié)調(diào)器連接電之后，會先進行網(wǎng)絡(luò)硬件初始化掃描，然后通過一系列的信道掃描工作，尋找合適的空閑信道，進而由它建立一個此工作界限內(nèi)所不具有的網(wǎng)絡(luò)信號，生成一個專屬的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)。最后測試進入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部需求的終端節(jié)點是否符合要求是否合法，判斷之后等待終端節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)并進行保護。在有合法的終端節(jié)點進入Zigbee終端網(wǎng)絡(luò)后，便進入輪詢等待終端發(fā)出消息的狀態(tài)，進而實現(xiàn)實時接收終端節(jié)點發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過終端串口傳輸?shù)紾SM模塊進行處理，反之也能夠收到傳自GSM模塊終端的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)浇K端節(jié)點。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中內(nèi)含多個ZigBee終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而每個節(jié)點依據(jù)具體指令分成了不同的控制模塊或者是相關(guān)的傳感器模塊，通過將傳感器終端接受到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器上，或執(zhí)行協(xié)調(diào)器命令的形式，來要求相對應(yīng)的終端設(shè)備進行工作。在無線通信網(wǎng)絡(luò)部分，終端節(jié)點端的程序設(shè)備功能是相同的。終端節(jié)點設(shè)備在連接上電之后，會先進入系統(tǒng)初始化的程序，然后傳輸加入網(wǎng)絡(luò)請求信號給協(xié)調(diào)器節(jié)點，在建立好網(wǎng)絡(luò)之后便收集傳感器的命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，若沒有傳感器信號或者收集結(jié)束之后進入休眠模式，節(jié)省傳感器的電量，收到采集任務(wù)便會立即喚醒，進人正常工作狀態(tài)，依據(jù)協(xié)調(diào)器命令操作，操作規(guī)定的設(shè)備終端控制任務(wù)或進行數(shù)據(jù)采集，任務(wù)結(jié)束后再次進入休眠模式。

5 總結(jié)

總而言之，開放實驗室系統(tǒng)設(shè)計作為一項較為繁瑣的系統(tǒng)性工作，包含實驗室的完整體系架構(gòu)系統(tǒng)和對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計等各式各樣的內(nèi)容，就要求相關(guān)設(shè)計管理者具有系統(tǒng)性的思考方式，將開放實驗室無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的完善努力做好，以實現(xiàn)開放實驗室的全方位遠程實時監(jiān)控，這也提升了高校開放實驗室的系統(tǒng)有效運行，提升了開放實驗室發(fā)展的實際應(yīng)用功能，同時為高等學(xué)校實驗教學(xué)質(zhì)量的不斷提高奠定了夯實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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