基于Zigbee 的智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊麗

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南三門峽，472000）

0 引言

當(dāng)今，工科高校實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備，種類繁多，使用人員復(fù)雜，管理難度大。隨著實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備增加，工科教學(xué)在理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)互動(dòng)結(jié)合方面的提升，使實(shí)訓(xùn)室的使用率越來越高，給實(shí)訓(xùn)室管理帶來了更高更新的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室管理主要通過人工方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行登記和管理，而僅靠實(shí)訓(xùn)室管理人員，已不能滿足現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)室發(fā)展需求，設(shè)備損壞、丟失問題更是層出不窮，對(duì)于實(shí)訓(xùn)室的學(xué)生預(yù)約機(jī)制，難以做到合理使用，極大地影響了實(shí)訓(xùn)室的開發(fā)性功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，新型智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)已經(jīng)不再是單純的計(jì)算機(jī)上位機(jī)管理軟件，而是融合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)的智能化和高效化。本系統(tǒng)提出一種智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，融合RFID 信息識(shí)別技術(shù)、Zigbee無線通訊技術(shù)、C#上位機(jī)開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的信息采集、登記和管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

■1.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合目前高校實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理情況，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、無線組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，用以提高管理水平，滿足實(shí)訓(xùn)室建設(shè)需求。智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)的基本功能是實(shí)訓(xùn)室設(shè)備信息采集，為方便實(shí)訓(xùn)設(shè)備登記和后期管理，采用在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上粘貼RFID 電子標(biāo)簽，后續(xù)管理和查驗(yàn)時(shí)，直接通過智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置掃描即可，實(shí)訓(xùn)室管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)進(jìn)行管理。智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)由粘貼在設(shè)備上的RFID 電子標(biāo)簽、智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置、Zigbee 通訊模組和PC 端的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■1.2 微處理器選型

實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集器應(yīng)具有讀取RFID 標(biāo)簽的功能，同時(shí)又要具備信息處理和存儲(chǔ)、傳輸功能，設(shè)備的核心處理器選擇STM32F103C8T6，該處理器采用Cortex M3 內(nèi)核，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz，同時(shí)該芯片具備3個(gè)串口、SPI總線、I2C 總線以及大容量的RAM 空間，由于設(shè)備信息采集器同時(shí)要處理多個(gè)RFID標(biāo)簽信息、又能實(shí)時(shí)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此要求處理器有較高的處理速度，又能夠具備較強(qiáng)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(qiáng)，處理速度快等特點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求。

■1.3 無線通信模塊選型

常用的無線通信有LoRa、zigbee、WiFi、藍(lán)牙等方式[2]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選用具有自組網(wǎng)功能的Zigbee 模組。國(guó)內(nèi)常用的Zigbee 模塊生產(chǎn)廠商眾多，性能出眾穩(wěn)定的有成都億佰特、濟(jì)南有人科技、深圳周立功等企業(yè)的眾多模組，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和性價(jià)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(shè)計(jì)生產(chǎn)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(jīng)穩(wěn)定量產(chǎn)，并適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。該模塊的硬件參數(shù)如表1 所示。

表1 Zigbee無線通信模塊參數(shù)表

2 智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置電路設(shè)計(jì)

智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置需要完成RFID 電子標(biāo)簽的讀寫、數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)置與顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳等功能。裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電源、微處理器、Zigbee 通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、按鍵輸入和液晶顯示部分組成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 微處理器最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

微處理器選用Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 型號(hào)的處理器，該芯片具有64KB 的Flash 存儲(chǔ)器和20KB 的RAM，共有通用IO 引腳37 個(gè)，定時(shí)器4 個(gè)，能夠?qū)崿F(xiàn)I2C和SPI 的硬件通信接口協(xié)議，方便外圍芯片數(shù)據(jù)讀寫[3]，最高工作頻率達(dá)到72MHz，滿足系統(tǒng)的高速處理數(shù)據(jù)需求，共有UART 接口3 個(gè)，能夠方便擴(kuò)展串口通信設(shè)備。微處理器的最小工作系統(tǒng)電路如圖3 所示。

圖3 微處理器最小系統(tǒng)電路

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

■2.2 RFID 讀寫電路設(shè)計(jì)

RFID 電子標(biāo)簽的讀寫采用了NXP 公司開發(fā)的MFRC522 讀寫芯片，該芯片內(nèi)部已封裝了全部類型的相關(guān)通信協(xié)議，支持RFID 標(biāo)簽的應(yīng)答機(jī)制，具備錯(cuò)誤查錯(cuò)與糾錯(cuò)機(jī)制，能夠快速讀取相關(guān)RFID 電子標(biāo)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(shè)置采用SPI 硬件通信接口，通過MOSI 將讀取信號(hào)發(fā)送到讀寫芯片，發(fā)射到電子標(biāo)簽，通過MISO 接口將返回的數(shù)據(jù)信息讀回處理去內(nèi)容進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)處理結(jié)果，上傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器和PC 端的管理系統(tǒng)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(shè)計(jì)

顯示模塊考慮顯示的數(shù)據(jù)量較大，不適合使用數(shù)碼管和字符點(diǎn)陣LCD 進(jìn)行顯示，綜合考慮性價(jià)比后，選擇使用OLED 屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，OLED 顯示屏是利用有機(jī)電自發(fā)光二極管設(shè)計(jì)的電子顯示屏，顯示屏不需要采用背光源，OLED 屏的對(duì)比度較高、在同等亮度下，視覺效果更好，功耗更低，響應(yīng)時(shí)間是傳統(tǒng)LCD 的千分之一，反應(yīng)速度快。

在智能設(shè)備數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線即可。設(shè)計(jì)電路如圖5 所示。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮后續(xù)拓展和設(shè)計(jì)需求，預(yù)留數(shù)據(jù)線為4 根，能滿足4 線SPI 串行數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

通信模塊選用成都億佰特公司生產(chǎn)的E18-2G4Z27SI。該模塊通信距離遠(yuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)不通信時(shí)的低功耗設(shè)計(jì)[4]，為方便在后續(xù)智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置升級(jí)過程中能移植使用，將該貼裝模塊設(shè)計(jì)為通用直插式模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用直插底座即可。

模塊的設(shè)計(jì)電路如圖6 所示。在該模塊電路中設(shè)計(jì)了5V 轉(zhuǎn)3.3V 電源電路，能夠使用于5V 供電系統(tǒng)，同時(shí)將配置用的AT 和Hex 模式切換端口引出，方便在程序設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行通訊協(xié)議的切換，滿足更多需求，發(fā)光二極管D1 為網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)指示燈，當(dāng)Zigbee 模塊加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，該指示燈點(diǎn)亮，便于觀察模塊是否接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)發(fā)光二極管D2 為Zigbee 模塊的運(yùn)行狀態(tài)指示燈，用于顯示模塊是否正常運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)模塊出現(xiàn)死機(jī)或者不運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以通過RESET 端口進(jìn)行模塊復(fù)位操作。

圖6 Zigbee 通訊模塊電路

3 智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Visual Studio2019 和SQL Server2012 數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)端管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)，采用三層架構(gòu)模式，有數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層構(gòu)成，同時(shí)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)。智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置采用C 語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要完成電子標(biāo)簽的讀寫和數(shù)據(jù)傳輸功能。

■3.1 智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置軟件設(shè)計(jì)

■3.1.1RFID 讀取程序設(shè)計(jì)

智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置在工作狀態(tài)時(shí)，首先對(duì)周圍實(shí)訓(xùn)設(shè)備上的RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，發(fā)送命令搜索周圍的電子標(biāo)簽，根據(jù)周圍電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷，并對(duì)搜索到的電子標(biāo)簽進(jìn)行防沖突操作，在多張電子標(biāo)簽中選取其中一張電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，驗(yàn)證相關(guān)密鑰成功后即可讀寫相應(yīng)電子標(biāo)簽中的設(shè)備信息，然后將相關(guān)的設(shè)備信息顯示在OLED 屏上，同時(shí)數(shù)據(jù)上傳，然后進(jìn)行下一張電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取，直到所有電子標(biāo)簽通信完成。

在讀取RFID 標(biāo)簽中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)周圍所有標(biāo)簽被激活，也就是RFID 的讀寫沖突，為解決這一問題，程序設(shè)計(jì)了防沖突程序[5]，智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置首先發(fā)送Manchester編碼，碼元中的副載波攜帶兩部分信息，當(dāng)返回的電子標(biāo)簽信息中含有“0”和“1”信息，表明此時(shí)存在電子標(biāo)簽沖突，數(shù)據(jù)采集裝置向所有電子標(biāo)簽發(fā)布此處碼元沖突的選擇數(shù)字“1”標(biāo)號(hào)進(jìn)行通信，依次逐個(gè)類推，最終選擇其中一張電子標(biāo)簽進(jìn)行信息讀取，其他設(shè)備上粘貼的電子標(biāo)簽等待下次命令進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊程序設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6 首先掃描周圍RFID 電子標(biāo)簽，通過防沖突算法逐個(gè)讀取實(shí)訓(xùn)設(shè)備電子標(biāo)簽的信息，然后根據(jù)通信協(xié)議將采集到的所有設(shè)備數(shù)據(jù)信息打包上傳到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至計(jì)算機(jī)的實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，最終在實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后將數(shù)據(jù)保存、顯示在上位機(jī)管理頁面。

智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)zigbee 通信模組發(fā)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(shù)據(jù)包采用Hex 數(shù)據(jù)傳送，zigbee 模塊的參數(shù)設(shè)置需要通過AT 命令模式進(jìn)行設(shè)定，所有通信模塊需要在運(yùn)行過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)格式切換，數(shù)據(jù)通信程序流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)無線通信模塊程序流程

■3.2 智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計(jì)

智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置與上位機(jī)管理軟件之間的數(shù)據(jù)交互一定要遵循設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議，也就是智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置將掃描到的RFID 標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)打包發(fā)送為協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到PC 機(jī)端的上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后經(jīng)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)回系統(tǒng)管理軟件的回復(fù)命令。

在智慧設(shè)備數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)包的格式，數(shù)據(jù)包包含數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、命令字、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)尾組成，數(shù)據(jù)頭設(shè)置為0xFE，協(xié)議的格式如表2 所示。

表2 通信協(xié)議格式

當(dāng)PC 端上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)頭后，開始將數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖，然后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度完成整個(gè)數(shù)據(jù)組的接收，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，和接收的校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果不正確時(shí)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)丟掉，然后開始下一組數(shù)據(jù)接收，當(dāng)接收到正確數(shù)據(jù)時(shí)，按照數(shù)據(jù)的命令字要求完成數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)處理。

■3.3 智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)軟件智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

三層架構(gòu)的數(shù)據(jù)訪問層主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息的讀取、查詢、存儲(chǔ)等處理。業(yè)務(wù)邏輯層主要通過數(shù)據(jù)訪問層的對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息表進(jìn)行增刪改查，實(shí)現(xiàn)訪問數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)上傳應(yīng)用層的橋梁作用。應(yīng)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(yè)務(wù)邏輯層上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)下發(fā)用戶的操作命令，為用戶提供直觀和操作便捷的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的管理和查詢及修改等功能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)用戶的管理。根據(jù)實(shí)訓(xùn)室使用人員的調(diào)研，應(yīng)用層的界面包括登錄界面、用戶管理、設(shè)備管理、設(shè)備查詢等功能。

4. 智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)功能測(cè)試

■4.1 智慧實(shí)訓(xùn)室管理軟件下位機(jī)功能測(cè)試

智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)功能測(cè)試分兩部分完成，一部分是下位機(jī)的智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置功能測(cè)試，首先搭建了智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置整個(gè)硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集裝置系統(tǒng)如圖10 所示。

圖10 實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)下位機(jī)功能測(cè)試

數(shù)據(jù)采集裝置包括微處理器控制器和射頻采集天線，實(shí)訓(xùn)設(shè)備采用盒子粘貼RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)行模擬，控制器通過天線對(duì)周邊的實(shí)訓(xùn)設(shè)備上RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)信息讀取，然后通過板載的Zigbee 通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到接收協(xié)調(diào)器中，由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至PC 機(jī)。

通過功能測(cè)試，系統(tǒng)能通過防沖突算法完成多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取，并將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。

■4.2 實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)上位機(jī)功能測(cè)試

PC 端的實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)功能測(cè)試采用USB 接口的Zigbee 通信模塊進(jìn)行，首先通過配置軟件對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)配置，設(shè)置該模塊為協(xié)調(diào)器。然后啟動(dòng)上位機(jī)軟件，等待Zigbee 協(xié)調(diào)器啟動(dòng)建立無線網(wǎng)絡(luò)，然后再啟動(dòng)智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置的Zigbee 模塊由軟件設(shè)置為終端，自動(dòng)加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的無線網(wǎng)絡(luò)，然后將實(shí)驗(yàn)用模擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備（帶有RFID 標(biāo)簽的盒子）靠近數(shù)據(jù)采集裝置，調(diào)用實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)的設(shè)備查詢，檢查設(shè)備是否全部能夠查詢到，功能測(cè)試方式如圖11所示。

圖11 實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)軟件功能測(cè)試

在經(jīng)過基本功能測(cè)試后，對(duì)用戶管理功能、設(shè)備管理功能、設(shè)備使用功能及設(shè)備查詢逐一進(jìn)行功能測(cè)試，各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

通過本課題的研究，最終設(shè)計(jì)完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩部分組成，一是智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置，主要完成設(shè)備電子標(biāo)簽的信息讀取和數(shù)據(jù)上傳功能，二是PC 端的智慧實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，主要用于完成用戶操作，實(shí)現(xiàn)用戶管理、設(shè)備管理、設(shè)備使用、設(shè)備查詢盤點(diǎn)等。使用該系統(tǒng)的模式框架后，能夠大幅度方便實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理和使用，尤其是在實(shí)訓(xùn)室設(shè)備盤點(diǎn)查詢時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)，避免管理員的逐個(gè)清點(diǎn)工作，提高實(shí)訓(xùn)室管理效率。