羅家兵

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計算機(jī)系，廣州 510990）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計

羅家兵

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計算機(jī)系，廣州 510990）

0　引言

為了提高實驗場地的利用率，有很多高校一個實驗室往往具有多種用途，有可能既是微機(jī)原理實驗室，又可能是計算機(jī)組成原理實驗室，當(dāng)學(xué)生做微機(jī)原理實驗的時候，由實驗員把微機(jī)原理實驗箱從柜子里面擺放到實驗臺上，做完實驗后又得把實驗箱放回柜子，每次實驗都重復(fù)同樣的工作，一來實驗員工作量巨大，二來無法跟蹤實驗箱的使用情況；三來容易出錯。

針對以上不足，本系統(tǒng)設(shè)計的重點在于采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對存放實驗箱的實驗箱抽屜的智能化：

（1）當(dāng)學(xué)生在實驗室登錄到本系統(tǒng)經(jīng)過驗證授權(quán)后對應(yīng)的實驗箱抽屜子門自動打開；

（2）實驗箱抽屜子能夠自動檢測實驗箱是否存在；

（3）實驗箱抽屜子能夠自動報告自己的狀態(tài)：門的開關(guān)、實驗箱是否存在；

（4）系統(tǒng)能夠自動跟蹤實驗箱使用情況：誰什么時候取走實驗箱，什么時候放回實驗箱子。

1　實驗設(shè)備管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)概要

物聯(lián)網(wǎng)在國際上又稱為傳感網(wǎng)，這是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。世界上的萬事萬物，小到手表、鑰匙，大到汽車、樓房，只要嵌入一個微型感應(yīng)芯片，把它變得智能化，這個物體就可以“自動開口說話”。再借助無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們就可以和物體“對話”，物體和物體之間也能“交流”，這就是物聯(lián)網(wǎng)。一個典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如下：

感知層主要利用傳感技術(shù)、自動識別技術(shù)實現(xiàn)對所關(guān)注物體信息的采集，同時還可以接收上層的命令讓物體執(zhí)行特定的動作；網(wǎng)絡(luò)層主要借助于短距離、長距離通信實現(xiàn)信息在各節(jié)點間的傳輸；應(yīng)用層是對感知層所收集的信息具體應(yīng)用，如監(jiān)測、分析等。

2　實驗設(shè)備管理系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的主要目標(biāo)實現(xiàn)對實驗室實驗箱的自動化管理：能夠自動記錄授權(quán)用戶在什么時候使用了實驗箱、歸還了實驗箱。授權(quán)分為兩種情況，具體見表：

表1　系統(tǒng)授權(quán)

當(dāng)使用者通過兩種授權(quán)方式之一獲取使用權(quán)限之后，在實驗桌電腦上系統(tǒng)客戶端登錄成功后實驗箱抽屜門自動打開，然后使用者從實驗箱抽屜中取出實驗箱放到桌面上；使用者使用完畢后把實驗箱放回實驗箱抽屜并關(guān)上實驗箱抽屜門。在一次連續(xù)的授權(quán)時段內(nèi)，使用者每次成功登錄都可以把實驗箱抽屜門打開和關(guān)閉，在超出該時間段后將不能再打開實驗箱抽屜。

整個系統(tǒng)還需要給實驗管理人員提供實時查看每個實驗箱的使用狀態(tài)：實驗箱已從實驗箱抽屜拿走或者放在實驗箱抽屜中；實驗管理員對每個實驗箱的歷史使用狀況進(jìn)行查看：誰在何時使用了實驗箱。

系統(tǒng)的用例圖如圖2所示。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

圖2　系統(tǒng)用例圖

3　實驗設(shè)備管理系統(tǒng)總體方案

整個系統(tǒng)由終端：智能實驗箱抽屜、協(xié)調(diào)器、傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心、上層應(yīng)用五部分組成。多個智能實驗箱抽屜構(gòu)成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用Zig-Bee作為無線組網(wǎng)協(xié)議，其中，實驗箱抽屜能夠自動檢測實驗箱存在狀態(tài)、實驗箱抽屜柜門的開關(guān)狀態(tài)，并通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸這些狀態(tài)；網(wǎng)關(guān)主要完成互聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換，把數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)在應(yīng)用端可以表現(xiàn)出來，整個系統(tǒng)框架如圖3所示

4　實驗設(shè)備管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括感知層硬件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計兩部分。

4.1系統(tǒng)感知層硬件設(shè)計

感知層主要功能是完成終端信息的采集、控制。本系統(tǒng)采用HY-SRF05超聲波探頭來檢測實驗箱的存在狀態(tài)。該模塊可提供2-450cm的非接觸式距離檢測功能，測距精度可達(dá)3mm；包括超聲波發(fā)射器、接收器、控制電路。

圖3　系統(tǒng)總體框架

圖4　SRF05模塊

該模塊引腳定義如下：

vcc供5v電源；

GND為地線；

GRIG觸發(fā)控制，信號輸出；

ECHO回想信號輸出；

OUT開關(guān)量輸出。

超聲波探頭安裝在實驗抽屜的頂部，當(dāng)檢測到距離小于一定范圍時判斷實驗箱存在，反之則不存在。

系統(tǒng)使用門磁傳感器來檢測實驗抽屜的開關(guān)狀態(tài)。門磁傳感器主要由開關(guān)和磁鐵兩部分組成，開關(guān)部分由磁簧開關(guān)經(jīng)引線連接、定型封裝而成；磁鐵部分由對應(yīng)的磁場強(qiáng)度的磁鐵封裝于塑膠或合金殼體內(nèi)，當(dāng)兩者分開或接近至一定距離后，引起開關(guān)的開斷從而感應(yīng)物體門磁開關(guān)位置的變化。門磁傳感器安裝在實驗抽屜柜的的上邊緣。

系統(tǒng)使用磁力鎖用來控制實驗抽屜柜門的開關(guān)。磁力鎖采用直流12V-240MA供電，直線拉力60公斤，通電上鎖，斷電開鎖。

超聲波傳感器、門磁傳感器、磁力鎖通過線路和cc2530 ZigBee節(jié)點相連，ZigBee節(jié)點固定在實驗抽屜柜門的上邊。

4.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是完成終端節(jié)點之間、終端節(jié)點和人之間的信息傳輸。本系統(tǒng)的的網(wǎng)絡(luò)層主要由無線傳感網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)三部分組成，傳感器網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。

終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器均以cc2530為核心構(gòu)成一個ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)。終端節(jié)點一方面負(fù)責(zé)門磁傳傳感器、超聲波傳感器數(shù)據(jù)的采集和電磁鎖的控制，另一方面負(fù)責(zé)把從傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議經(jīng)路由節(jié)點匯聚到協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)關(guān)的主要功能是通過串口接收協(xié)調(diào)器傳輸過來的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)以s5pv210構(gòu)建，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

5　實驗設(shè)備管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由四部分組成：傳感層軟件設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計、應(yīng)用層軟件設(shè)計。

5.1傳感層軟件設(shè)計

傳感層主要采用TI公司的ZigBee協(xié)議棧zstack 2007。

傳感層軟件主要包括終端節(jié)點軟件和協(xié)調(diào)器軟件，采用TI-Zstack 2007為ZigBee協(xié)議棧。終端節(jié)點上的zstack配置為end_device，在協(xié)議棧中實現(xiàn)超聲波傳感器、門磁傳感器數(shù)據(jù)的采集以及電磁鎖控制相關(guān)的代碼。傳感層協(xié)議棧總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　傳感層軟件總體結(jié)構(gòu)圖

5.2網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是完成信息的傳輸，主要包括協(xié)調(diào)器軟件的設(shè)計和網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計，協(xié)調(diào)器軟件除了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)外，還負(fù)責(zé)各終端節(jié)點數(shù)據(jù)的收集并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)軟件主要負(fù)責(zé)把從協(xié)調(diào)器收集來的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。該層總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　網(wǎng)絡(luò)層軟件總體結(jié)構(gòu)圖

5.3應(yīng)用層軟件設(shè)計

本層軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和人機(jī)交互界面的設(shè)計。數(shù)據(jù)庫采用用MySQL，主要設(shè)計如圖6所示。

人機(jī)交互界面分為學(xué)生端和實驗室管理員端。學(xué)生端主要讓學(xué)生輸入學(xué)號、密碼登陸系統(tǒng)，系統(tǒng)判斷其在該時間段被授權(quán)使用實驗箱，在實驗箱抽屜門就會接收到系統(tǒng)發(fā)來的打開柜門指令；實驗室管理員端主要完成學(xué)生信息的注冊和授權(quán)管理。

圖6　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

6　結(jié)語

本文從實驗設(shè)備管系統(tǒng)系統(tǒng)的需求出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分別就系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層各層的功能進(jìn)行分析，然后進(jìn)行軟硬件設(shè)計。依據(jù)該設(shè)計，目前已經(jīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的大部分軟硬件模塊并通過了測試。本系統(tǒng)設(shè)計對于高校實驗室的管理將具有非常好的實際意義。

［1］饒緒黎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗設(shè)備運行監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.山東大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2012，11.

［2］王小強(qiáng)，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［3］李文仲，段朝玉等.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］王浩.開放性計算機(jī)實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.華南理工大學(xué)，2013.

［5］侯振云，肖進(jìn).MySQL5數(shù)據(jù)庫入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

IOT；Laboratory Equipment；Automation Management

Laboratory Equipment Management System Based on IOT

LUO Jia-bing

（Department of Computer Science，South China Institute of Software Engineering，Guangzhou 510990）

1007-1423（2015）34-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.017

2015-11-10

2015-11-25

目前實際應(yīng)用的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)主要側(cè)重于實驗室設(shè)備數(shù)量的管理，而對誰在什么時候使用了實驗設(shè)備基本上靠人工記錄或人工錄入數(shù)據(jù)管理，這樣對實驗室的管理造成了很大的麻煩甚至容易出現(xiàn)問題。針先對該問題進(jìn)行了需求分析，然后利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分別從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進(jìn)行軟硬件設(shè)計，依據(jù)該設(shè)計的實現(xiàn)將可以對實驗室設(shè)備使用情況的進(jìn)行自動化管理。

物聯(lián)網(wǎng)；實驗設(shè)備；自動化管理

羅家兵，男，講師，碩士研究生，研究方向為嵌入式軟件開發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

At present，the actual application of the laboratory equipment management system is mainly focused on the number of laboratory equipment management，and who uses the laboratory experimental equipment and when the laboratory experimental equipment is used are basically manual or manual input data management，so that the management of the laboratory caused a lot of trouble and even problems. Analyses the problem，designs the software and hardware by using IOT.According to the design，the implementation will be able to manage the laboratory equipment automatically.