文/梁劭穎 呂集爾

1 實驗室智能管理的必要性

隨著人才市場對復(fù)合型、應(yīng)用型、自主動手能力強的技能型人才的需求日趨旺盛，應(yīng)用型高校也在采取有效措施，以適應(yīng)新的形勢。 這些措施包括：加大對實驗實訓室建設(shè)經(jīng)費投入，研發(fā)新的實驗室管理模式，以滿足學生對專業(yè)技能操作實踐的需求，更好地培養(yǎng)學生動手、創(chuàng)新能力。在高校的計算機實驗中心、光電實驗中心、大數(shù)據(jù)仿真實驗中心、檢驗檢測實訓室等實驗場所對環(huán)境的要求較高，其中溫濕度、煙霧粉塵含量、聲光強度等都會對實驗實訓設(shè)備或?qū)嶒瀸嵱柦Y(jié)果的精度造成較大誤差。因此，對實驗實訓場所環(huán)境進行實時、有效的智能化監(jiān)控和管理是非常重要也是十分必要的。為此，我們運用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了針對實驗室環(huán)境進行智能管理的設(shè)計方案，根據(jù)實驗室的功能特點，分別布置相應(yīng)的傳感器，實時監(jiān)測需要重點關(guān)注的環(huán)境信息，及時反饋給管理者。形成環(huán)境監(jiān)管、設(shè)備管理、人員控制三維一體的實驗室智能監(jiān)管系統(tǒng)。

2 實驗室智能管理系統(tǒng)的總體設(shè)計

實驗室智能管理系統(tǒng)總體采用模塊化的設(shè)計思路，由監(jiān)測節(jié)點、傳感協(xié)調(diào)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中控平臺（數(shù)據(jù)庫、顯示終端）等模塊組成（見圖1）。

其中最下面一層為布置在實際區(qū)域中的由各種傳感器組成的監(jiān)測節(jié)點及室內(nèi)控制節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點包括溫濕度傳感器、煙霧粉塵傳感器、光照傳感器、人體紅外傳感器，作用是采集監(jiān)測區(qū)域中環(huán)境溫濕度、光照強度、火患信息和人員進出情況等數(shù)據(jù)信息；室控節(jié)點是布置在實驗室相關(guān)位置的溫、濕度控制器、電源控制器和報警器等，用來調(diào)控實驗室內(nèi)環(huán)境或發(fā)出警示。第二層為部署在實驗室監(jiān)測區(qū)域中心附近的ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器，用于接收各傳感器節(jié)點抓捕到的數(shù)據(jù)信息（包括數(shù)字信息或模擬信號），轉(zhuǎn)換處理成可供傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號（包）。再下一層是將各節(jié)點與有關(guān)層連接而成的傳輸網(wǎng)絡(luò)，其功能可將數(shù)據(jù)信號通過Internet（或局域網(wǎng)）傳送到與中控平臺連接的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。 最后一層是實驗室中控平臺，具有對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行處理的功能（如實時接收、存儲數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)和信號進行分析、計算、擬合、作出判斷決策，觸發(fā)異常等）。

3 實驗室智能管理系統(tǒng)中的 CC2530芯片與 Zigbee技術(shù)

本智能管理系統(tǒng)的硬件主要是應(yīng)用 CC2530 芯片與ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)之上，以ZigBee 協(xié)調(diào)器與溫濕度、煙霧粉塵、光照和紅外線等傳感模塊進行連接。

3.1 CC2530芯片

本系統(tǒng)硬件選擇CC2530 芯片，首先因為CC2530 芯片是一種體積較小、但功能強大的處理芯片；更重要方面是CC2530 芯片集成了應(yīng)用日趨廣泛的、兼容性好并支持最新版Zigbee 協(xié)議和技術(shù)。 CC2530 芯片的性能特點見表1。

把CC2530 應(yīng)用到實驗室智能管理系統(tǒng)之中，能夠與ZigBee 相配合，構(gòu)建起低能耗、價格低廉又能夠抗干擾的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并能夠長時間的運轉(zhuǎn)，特別適合實驗室這種短距離運行時間長的無線網(wǎng)絡(luò)。

3.2 Zigbee技術(shù)

基于ZigBee 技術(shù)所組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實驗室智能管理系統(tǒng)，主要由實驗室中控平臺、ZigBee 協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和傳感器控制系統(tǒng)等組成，其中實驗室中控平臺是總體管理系統(tǒng)，負責整個實驗室智能管理系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)、管理與控制，同時中控平臺可以通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)與電腦終端（或手機端）相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的共享和反饋。 本設(shè)計中的ZigBee 協(xié)調(diào)器是基于ZigBee 技術(shù)，與溫濕度傳感器、煙霧粉塵傳感器、光照傳感器、紅外線傳感器等傳感器相連接，使中控平臺能夠通過ZigBee 協(xié)調(diào)器，自動監(jiān)測調(diào)控實驗室內(nèi)的溫度和濕度、光照亮度、空氣純凈程度，確保在實驗室中開展各種實驗所需的環(huán)境條件。 根據(jù)實際情況可以設(shè)計各種相對獨立的控制系統(tǒng)，如電子門禁系統(tǒng)，可以記錄進出實驗室人員的情況，一旦在管理系統(tǒng)運行發(fā)生故障或出錯時，自動報警并自動上鎖，同時能夠?qū)ο到y(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行保護，以防實驗數(shù)據(jù)的丟失；有些可設(shè)計成獨立的控制系統(tǒng)，是為了能夠在系統(tǒng)運行產(chǎn)生故障時，對實驗室中的設(shè)備進行有效管理，以保障實驗教學的繼續(xù)進行。 下面探討本智能管理系統(tǒng)所設(shè)計的ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)。

圖1：實驗室智能管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：上位機與下位機之間串口通信流程圖

表1：CC2530 芯片的主要性能特點

表2：ZigBee 協(xié)調(diào)器主要作用一覽表

3.2.1 ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要采用分布式的ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)，即利用實驗室智能系統(tǒng)的中控平臺與ZigBee 協(xié)調(diào)器連接，實現(xiàn)調(diào)控功能。ZigBee協(xié)調(diào)器主要作用見表2。

3.2.2 ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器組網(wǎng)設(shè)計

實驗室智能管理系統(tǒng)要進行ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，目的是做好如下節(jié)點之間的組網(wǎng)：ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器←→路由器節(jié)點←→傳感器。第一步，對ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器組網(wǎng)：可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，向ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求，用來檢測ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器的回應(yīng)情況、判斷接入點的IP 位置，以確定發(fā)送入網(wǎng)請求是哪一個傳感器節(jié)點；第二步，對ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)信道組網(wǎng)：組網(wǎng)時一定要選擇恰當?shù)男诺?，使之與周邊網(wǎng)絡(luò)的信道相匹配，以避免網(wǎng)絡(luò)信道的干擾問題；第三步，對路由器節(jié)點的組網(wǎng)：可以設(shè)計成在啟動路由器后，要通過ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器對路由器節(jié)點進行授權(quán)，才能夠使路由器節(jié)點接入到ZigBee 傳感協(xié)調(diào)器之中（授權(quán)可以設(shè)計為要給相關(guān)路由器節(jié)點提供IP 地址、MAC 地址、DNS 等信息）；最后，對傳感節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的組建：由于所設(shè)計的實驗室智能管理系統(tǒng)傳感器比較多，為了保障傳感器節(jié)點與路由器節(jié)點的連通網(wǎng)絡(luò)安全可靠，可以設(shè)計成要通過組網(wǎng)驗證的方式來實現(xiàn)。

4 實驗室智能管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

4.1 實驗室智能管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee 協(xié)議的實驗室智能軟件系統(tǒng)可以設(shè)計為多個模塊，包括實驗室智能平臺控制模塊、傳感器管理模塊、中控平臺數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊、中控平臺數(shù)據(jù)分析計算模塊等。這些模塊可以通過編程對實驗室內(nèi)各種傳感器、探測器和實驗設(shè)備進行控制和管理，用程序通過ZigBee 對各傳感器和實驗設(shè)備進行信息傳輸和指令下達，再通過 UART 與系統(tǒng)的顯示終端及控制終端實現(xiàn)人機交互。 系統(tǒng)可以選用JAVA 面向?qū)ο笤O(shè)計語言，對數(shù)據(jù)進行整理和分析，再通過 JAVA 通信串口將實驗室智能管理系統(tǒng)的命令發(fā)送到上位機上，由上位機將數(shù)據(jù)顯示到終端屏幕上，管理人員可以在控制終端通過人機對話方式下達各項指令，實現(xiàn)對實驗室進行智能監(jiān)控。

4.2 使用JAVA實現(xiàn)上位機與下位機之間的串口通信

上位機一般指的是電腦終端（或手機），下位機指的是單片機或者帶微處理器的系統(tǒng)。下位機就是將模擬信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過數(shù)字信號處理將數(shù)字信號通過串口發(fā)送到上位機；而上位機則相反，可以給下位機發(fā)送一些指令或者信息。 常見的通信串口有 RS232、RS485、RS422 等。 現(xiàn)在的硬件上一般都有各種轉(zhuǎn)換接口，使得在上位機與下位機進行數(shù)據(jù)通信時操作都比較方便。 利用JAVA 可實現(xiàn)上位機與下位機之間的RS485 串口通信。 主要步驟是：

（1）準備軟件：下載支持java 串口通信的jar 包，解壓jar 包后，把其中的RXTXcomm 導(dǎo) 入 到j(luò)ava 工程里，同時將rxtxParallel。dll 與rxtxSerial。dll 復(fù) 制 到 安 裝了JDK 的bin 文件下和jre 的bin 文件夾下；

（2）硬件檢測：查找是否有可用的COM端口，并對該對端口進行簡要判斷（包括這些端口是否是串口，是否正在使用等）；

（3）對串口參數(shù)進行簡單的配置：通過串口提供的人機交換界面，輸入相應(yīng)的參數(shù)（包括串口號、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位等）；

（4）實現(xiàn)上位機與下位機之間的雙向通信：上位機往單板機通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)。

上述雙向串口通信可用JAVA 實現(xiàn)。程序流程見圖2。

該程序整體分為串口設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收三個模塊。 串口設(shè)置模塊包括串口測試和參數(shù)設(shè)置，可以用測試類的方法，在創(chuàng)建的測試類中用語句if-eles- 進行串口測試，通過for 循環(huán)統(tǒng)計可用串口端口，再用if 結(jié)構(gòu)對可用端口逐個檢驗它的停止位、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位是否進行了設(shè)置，如果沒有設(shè)置就進行參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，可用語句class DataTransimit 把串口數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)傳輸作為一個類，用來實現(xiàn)把數(shù)據(jù)包傳輸至下單板機；而在數(shù)據(jù)接收這個模塊中，是通過public static byte[]語句創(chuàng)建byte 數(shù)組來實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)。

對于實驗室智能管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，上面只是探討了基于JAVA 的上位機與下位機之間的串口通信的程序構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上還可以進一步做如下的優(yōu)化完善：例如可以根據(jù)自身需要和實驗室控制平臺的實際情況設(shè)計獨具風格的人機交互界面；又比如，在程序中加入線程技術(shù)，使得在程序中對于系統(tǒng)時間的獲取可以通過線程的方式來進行，這樣可以使上位機保持持續(xù)往下位機發(fā)送數(shù)據(jù)包；此外，對于上位機數(shù)據(jù)接收的方式，除了以上最基本的接收方法以外，還可以利用JAVA 中的JDBC 與MYSQL 等數(shù)據(jù)進行存儲，這些數(shù)據(jù)處理功能還可以進行擬合分析和作出決策。

我們所探討的智能管理系統(tǒng)，在硬件系統(tǒng)方面，是基于ZigBee 協(xié)調(diào)器與各種傳感器模塊相聯(lián)結(jié)，在軟件方面還可以利用其他的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言編程來實現(xiàn)對實驗室內(nèi)各設(shè)備實施智能監(jiān)督和管理。