吳蓬勃， 李學(xué)海， 楊 斐， 張金燕

(1. 石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信工程系， 河北 石家莊 050031；

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·專題研討·虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(19)·

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)踐

吳蓬勃1， 李學(xué)海1， 楊 斐1， 張金燕2

(1. 石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信工程系， 河北 石家莊 050031；

2. 河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司 信息應(yīng)用咨詢?cè)海?河北 石家莊 050021)

結(jié)合本校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際改進(jìn)情況，從“安全、節(jié)能、高效、舒適”四個(gè)方面，從軟件系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的構(gòu)建方案和技術(shù)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的智能課堂管理、智能電源管理、智能環(huán)境管理等功能。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)在提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平，減輕實(shí)驗(yàn)員工作負(fù)擔(dān)，改善實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境，以及節(jié)能環(huán)保、安全防范等方面均獲得了預(yù)期效果。

智能實(shí)驗(yàn)室； 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； ZigBee； CC2530； WT588D； W7100A

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種新興的前沿技術(shù)。從廣義上講，物聯(lián)網(wǎng)是信息空間與物理空間的融合互通，將人們周圍的一切事物給數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化，是實(shí)現(xiàn)高效信息交互的有效手段，是信息化在人類社會(huì)綜合運(yùn)用并且達(dá)到的更高境界。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在悄然走近人們生活的方方面面，確信它必將更加深入公眾生活的角角落落。為了推廣普及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡快應(yīng)用于我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、教育等各個(gè)領(lǐng)域，國家創(chuàng)建了“無錫國家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用展示中心”，這也是一個(gè)國家級(jí)的教學(xué)、觀摩、體驗(yàn)基地或者公共實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)校儀器設(shè)備的匯聚之地，其防火、防盜、防水、防鼠等安防問題至關(guān)重要，是一個(gè)當(dāng)家人不得不重視的問題；實(shí)驗(yàn)室往往也是學(xué)校接待學(xué)術(shù)參訪者(或參訪團(tuán))的必到之地，是學(xué)校的重要名片之一，其信息化管理程度是展示學(xué)?？蒲泻凸芾硭降闹匾獦?biāo)志，也是學(xué)校綜合實(shí)力的主要體現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)室往往又是高新技術(shù)、高新裝備、高新成果展覽和體驗(yàn)之地，也是高新科技項(xiàng)目的研發(fā)和誕生之地，其自身的環(huán)境、設(shè)備、人員的監(jiān)管技術(shù)不應(yīng)太陳舊落伍，自然不應(yīng)該拒絕物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入；實(shí)驗(yàn)室往往還是教師和學(xué)生的會(huì)集之地，人身的舒適和安全問題，也應(yīng)該引起足夠重視?？傊?，實(shí)驗(yàn)室是人和物的集中地，采納物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來武裝正是恰如其分、天作之合[1-3]。

本項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，給傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室插上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的騰飛翅膀。即針對(duì)目前高校中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，從安全、節(jié)能、高效、舒適四個(gè)方面，試圖設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)的升級(jí)方案，并且通過硬件和軟件的精選和設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能課堂管理、智能電源管理、智能環(huán)境管理等功能，而且還實(shí)現(xiàn)從課前、課中到課后的全程監(jiān)控，這必將有效地提高實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)管水平，把實(shí)驗(yàn)室管理的信息化程度向前推進(jìn)一大步！

1 總體規(guī)劃

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)，主要由三個(gè)層次或三種類型的網(wǎng)絡(luò)組成——廣域互聯(lián)網(wǎng)、局域以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)。總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

借助于遠(yuǎn)端的智能手機(jī)或PC微機(jī)，可通過“廣域互聯(lián)網(wǎng)”連接實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況并進(jìn)行相應(yīng)的控制。實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)服務(wù)器、教務(wù)管理系統(tǒng)服務(wù)器、IP攝像頭、無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(ZigBee網(wǎng)關(guān))，通過“局域以太網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其中IP攝像頭用于實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)室的視頻影像，以便實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)“無線傳感網(wǎng)”與以太網(wǎng)的互聯(lián)，無線傳感網(wǎng)用于感知實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的控制。

無線傳感網(wǎng)主要包括三部分功能：智能課堂管理、智能電源管理和智能環(huán)境管理。

(1) 智能課堂管理。主要包括：門禁控制[4-5]、全向紅外遙控、語音提醒控制三部分。它們均通過ZigBee模塊與ZigBee網(wǎng)關(guān)無線連接。其中門禁控制部分可實(shí)現(xiàn)：手動(dòng)刷卡開門、手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程開門(即：通過ZigBee遙控開門)，另外如果在上課時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)室門未打開，教務(wù)管理系統(tǒng)服務(wù)器會(huì)向?qū)嶒?yàn)室管理人員手機(jī)發(fā)送開門提醒，以保證課程的正常進(jìn)行。另外，教務(wù)管理系統(tǒng)也可通過任課教師刷卡情況檢查教師的考勤，防止遲到和早退現(xiàn)象的發(fā)生。全向紅外遙控部分，安裝在屋頂，用于控制實(shí)驗(yàn)室的投影、空調(diào)的自動(dòng)開關(guān)[6]。語音提醒部分，主要用于提醒任課教師或?qū)W生實(shí)驗(yàn)室使用注意事項(xiàng)[7]。

(2) 智能電源管理。主要包括：電量監(jiān)測和電源開關(guān)控制兩部分。這兩個(gè)部分也通過ZigBee模塊與ZigBee網(wǎng)關(guān)無線連接。電量監(jiān)測主要由智能電表完成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的電流、電壓、功率等用電參數(shù)，智能電表通過RS485總線連接到ZigBee模塊，將實(shí)驗(yàn)室的用電情況實(shí)時(shí)的反饋到實(shí)驗(yàn)室管理服務(wù)器。電源開關(guān)控制部分，主要實(shí)現(xiàn)電源的閉合和斷開，該項(xiàng)功能通過ZigBee模塊控制繼電器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)設(shè)備的電源控制[8]。

(3) 智能環(huán)境管理。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測并進(jìn)行相應(yīng)的控制[9]。主要包括傳感單元與執(zhí)行單元兩大部分。這兩部分均通過ZigBee模塊連接ZigBee網(wǎng)關(guān)。傳感單元用于感知環(huán)境參數(shù)，包括：溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照、水浸、人體紅外、煙霧、震動(dòng)等參數(shù)的監(jiān)測。執(zhí)行單元主要用于控制實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作，主要包括：空調(diào)遙控控制、換氣扇控制、電動(dòng)窗簾控制、聲光告警控制四個(gè)部分。

當(dāng)環(huán)境溫濕度低于設(shè)置閾值時(shí)，溫濕度傳感單元通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向?qū)嶒?yàn)室屋頂?shù)娜蜻b控發(fā)送空調(diào)控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)溫、調(diào)濕。另外，在上課時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員密集，二氧化碳的濃度會(huì)大幅提高，當(dāng)濃度高于設(shè)置閾值時(shí)，二氧化碳傳感器會(huì)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向換氣扇發(fā)送換氣指令。為了最大限度的節(jié)能，當(dāng)光照高于設(shè)置閾值后，光敏傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)出調(diào)光指令，控制窗簾閉合或部分閉合，同時(shí)將燈光關(guān)閉或調(diào)弱；當(dāng)光照低于設(shè)定閾值時(shí)，光敏傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)出調(diào)光指令，控制窗簾打開，同時(shí)將燈光開啟或調(diào)強(qiáng)。對(duì)于陰雨天氣，實(shí)驗(yàn)室可能會(huì)發(fā)生漏水事件，水浸傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測到這一事件，并發(fā)出本地聲光報(bào)警，同時(shí)向服務(wù)器和遠(yuǎn)端的手機(jī)發(fā)出漏水告警。另外，煙霧傳感器用于煙霧報(bào)警；人體紅外傳感器用于檢測室內(nèi)是否有人；震動(dòng)傳感器安裝在門、窗上用于防盜報(bào)警。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了充分利用現(xiàn)有校園網(wǎng)資源、減少重復(fù)投資、縮短研發(fā)時(shí)間，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是在校園網(wǎng)基礎(chǔ)之上展開的，主要涉及新添部分且需要自制的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分，其它新添部分(如服務(wù)器，PC機(jī)，手機(jī)，IP攝像頭等)均選用現(xiàn)有的或選購現(xiàn)成的產(chǎn)品即可。因此，這里只需重點(diǎn)介紹ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在智能課堂管理、智能電源管理和智能環(huán)境管理中，設(shè)備間的無線連接都用到了ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)。按照設(shè)備類型可分為：開關(guān)量輸入設(shè)備、開關(guān)量輸出設(shè)備、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。如表1所示。

根據(jù)表1的設(shè)備分類，可得出ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備的功能：12 V直流和220 V交流電的開關(guān)量控制、開關(guān)量檢測、RS485通信、單線紅外遙控、三線串口通信。由此可得出ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)的框圖，如圖2所示，包括：交/直流繼電器單元、開關(guān)量檢測單元、全向紅外遙控單元、語音提醒單元、RS485通信單元和CC2530無線ZigBee單元。具體的ZigBee節(jié)點(diǎn)可根據(jù)連接設(shè)備的不同，對(duì)這幾個(gè)單元模塊進(jìn)行相應(yīng)的裁剪。其中，交/直流繼電器單元由CC2530直接連接光耦控制交/直流繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)12V直流和220V交流電源的間接控制。開關(guān)量檢測單元將信號(hào)量通過光耦隔離后直接連到CC2530的IO口，通過定時(shí)器控制周期性檢測實(shí)現(xiàn)。

表1 設(shè)備類型劃分

2.1.1 CC2530無線ZigBee單元

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信部分，采用了TI公司的ZigBee/IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器CC2530。該芯片結(jié)合了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KB的RAM和許多其他模塊，功能強(qiáng)大。它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530在各運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間很短，使其進(jìn)一步降低能源消耗。CC2530無線ZigBee單元的電路，如圖3所示。天線將ZigBee無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，CC2530將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯命令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件完成動(dòng)作。

值得特別注意是CC2530的天線部分，一般采用2種設(shè)計(jì)方案：一種是SMA天線；另一種是PCB天線。在用SMA天線時(shí)，距離一般是350～450 m；而PCB天線如果做得不好，只有100～150 m左右?？紤]到室內(nèi)存在墻壁等障礙物的遮擋，又要確保無線信號(hào)可靠傳輸，本系統(tǒng)采用了SMA天線[12]。

2.1.2 全向紅外遙控單元

圖3 CC2530無線ZigBee單元電路圖[12]

全向紅外遙控單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)投影儀、空調(diào)機(jī)等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)紅外遙控設(shè)備的控制。由于投影儀、空調(diào)機(jī)的安裝位置可能比較分散，因此本系統(tǒng)采用了6個(gè)紅外發(fā)射管，進(jìn)行360°全向發(fā)射，保證室內(nèi)所有的紅外遙控設(shè)備均能可靠接收。

電路如圖4所示，CC2530產(chǎn)生的38 kHz方波信號(hào)OUT_38K用作載波，CC2530要發(fā)送的信號(hào)TX_DATA用38kHz載波進(jìn)行調(diào)制，然后通過紅外發(fā)射管發(fā)送出去。其中Q2和Q3的9012用來將信號(hào)與載波進(jìn)行“與”操作，同時(shí)又作為功率驅(qū)動(dòng)器件。

圖4 38 kHz全向紅外調(diào)制發(fā)射電路圖

2.1.3 語音播放單元

語音播放單元用于實(shí)驗(yàn)室上課前、下課后等時(shí)段，對(duì)任課教師或者上課學(xué)生進(jìn)行注意事項(xiàng)提醒。所需的語音在某個(gè)時(shí)期內(nèi)可能固定不變，但是也應(yīng)能夠?qū)φZ音進(jìn)行更新。因此本系統(tǒng)采用了廣州唯創(chuàng)科技的WT588D語音方案，同時(shí)外加了功放，以保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的所有人員都可聽到響亮的語音提醒。

WT588D是一款集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。具有MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式，完全支持6～22 kHz采樣率的音頻加載。通過配套軟件WT588D voiceChip輕而易舉的做到語音組合播放、插入完美的陶冶靜音?？煽刂频恼Z音地址位能達(dá)到220個(gè)，每個(gè)地址位里能加載可組合語音為128段語音。WT588D系列語音芯片可根據(jù)實(shí)際用法外置SPI-FLASH存儲(chǔ)器，眾多的控制模式、語音組合只需更換SPI-FLASH的內(nèi)容，即可完全實(shí)現(xiàn)操作方式的切換。

語音播放單元的電路圖如圖5所示。主要包括3部分：語音播放芯片WT588D、外置SPI串口Flash存儲(chǔ)器芯片25Pxx和功放芯片TDA2822M。在本系統(tǒng)中采用的是WT588D的三線串口模式，WT588D的7、8、9腳分別作為數(shù)據(jù)、片選和時(shí)鐘腳，連接CC2530單片機(jī)；CC2530單片機(jī)通過這三個(gè)引腳輸出語音索引信號(hào)到WT588D；WT588D播放索引地址對(duì)應(yīng)的音樂。其中語音的加載、索引地址的設(shè)置、連接模式的選定，均是通過“上位機(jī)軟件WT588D voiceChip”來配置的。配置好后，通過一個(gè)連接到JDown接口的“USB下載器”，實(shí)現(xiàn)語音下載即可。在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，語音芯片WT588D的VDD電源濾波阻容元件R30和C51的布局，務(wù)必靠近WT588D，否則可能影響語音的播放音質(zhì)。功放電路選用小巧的TDA2822M，電阻R24的阻值越大音量越大，取值范圍一般為0.270～1.2 kΩ。

圖5 語音播放電路圖

2.1.4 RS485通信單元

RS485通信單元主要應(yīng)用于CC2530與智能電表、溫濕度傳感器等RS485接口設(shè)備進(jìn)行通信。電路圖如圖6所示。其中，采用了TI公司的具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器SN75LBC184，為了節(jié)省CC2530的IO口，通過發(fā)送端TXD_MAX485對(duì)8050三極管的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)于SN75LBC184收發(fā)使能的控制(2，3腳)。另外，TVS1～TVS3(P6KE6.8CA)是用來防雷保護(hù)的TVS瞬變二極管；R10和R13(TRF250-120u)為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，用于后級(jí)隔離和過流保護(hù)；R11(B3D090L)為貼片柱形體，用于共模保護(hù)；R15(BA151N)為貼片陶瓷氣體放電管，用于差模保護(hù)。

圖6 RS485通信電路圖

2.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的主要功能是：將ZigBee無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娦盘?hào)。主要包括兩部分：ZigBee協(xié)調(diào)器和W7100A網(wǎng)絡(luò)控制器。其中ZigBee協(xié)調(diào)器用于接收各個(gè)無線ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口傳送到W7100A的串口，W7100A將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。ZigBee協(xié)調(diào)器的電路基本同于圖3中CC2530無線ZigBee單元的電路，這里僅對(duì)W7100A網(wǎng)絡(luò)控制器做重點(diǎn)描述。

W7100A是韓國WIZnet公司開發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)處理器，該芯片集成了全硬件TCP/IP內(nèi)核及8051CPU。它的指令處理所采取的流水線結(jié)構(gòu)(Pipelined architecture)，使其速度高達(dá)88 MHz，是一款高速8位單片機(jī)。由于W7100A采用完全硬件化的TCP/IP核，不會(huì)占用8051單片機(jī)資源去處理網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而達(dá)到既可靠又高速的網(wǎng)絡(luò)性能，完全不會(huì)像軟件TCP/IP那樣受到單片機(jī)程序負(fù)荷的影響。另外，該芯片內(nèi)置了以太網(wǎng)物理層電路，可直接連接有內(nèi)置變壓器的RJ45插座，而不再需要額外的物理層電路芯片。[13]

采用一片獨(dú)立看門狗MAX811T構(gòu)建W7100A的復(fù)位電路；BOOT開關(guān)用于設(shè)置運(yùn)行模式，BOOTEN為高電平時(shí)，啟動(dòng)Boot運(yùn)行模式；BOOTEN為低電平時(shí)，啟動(dòng)用戶應(yīng)用程序模式。W7100A需要連接外部晶體振蕩器才可運(yùn)行，其中25 MHz時(shí)鐘電路為TCP/IP內(nèi)核提供時(shí)鐘，11.059 2 MHz時(shí)鐘電路為MCU內(nèi)核提供時(shí)鐘。W7100A通過TXON和TXOP腳輸出數(shù)據(jù)差分信號(hào)到外部線路；通過RXIN和RXIP接收外部線路的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)；這兩路差分信號(hào)通過RJ45接口與外部網(wǎng)絡(luò)連接。另外，W7100A的串口RXD和TXD與ZigBee協(xié)調(diào)器串口連接，實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器到W7100A、W7100A到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通路，從而實(shí)現(xiàn)了各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器的數(shù)據(jù)通路。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要包括：ZigBee無線節(jié)點(diǎn)軟件、ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件、服務(wù)器軟件和客戶端軟件等。

3.1 軟件概述

在圖7～圖9中分別描繪了實(shí)驗(yàn)室課前、課中和課后的智能管理流程。

如圖7所示，準(zhǔn)備上課時(shí)，任課教師刷卡可打開實(shí)驗(yàn)室門，同時(shí)教務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)記錄任課教師考勤；如果任課教師未帶IC卡，而實(shí)驗(yàn)室管理人員又未及時(shí)開門，則教務(wù)管理服務(wù)器會(huì)向?qū)嶒?yàn)室管理人員發(fā)送開門提醒，實(shí)驗(yàn)室管理人員可通過手機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送開門指令，通過實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器連接的ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開門動(dòng)作。開門后，智能電源管理單元控制電源接通，同時(shí)智能電表開始進(jìn)行電量監(jiān)控。任課教師和學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，系統(tǒng)發(fā)送語音提醒指令，提醒實(shí)驗(yàn)室注意事項(xiàng)。同時(shí)，全向紅外遙控單元控制投影儀打開。

如圖8所示，在上課期間，溫濕度檢測傳感器、二氧化碳檢測傳感器、光敏傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果溫濕度不在設(shè)定范圍內(nèi)，則系統(tǒng)通過全向紅外遙控設(shè)置空調(diào)工作參數(shù)，進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。如果室內(nèi)二氧化碳濃度超出設(shè)定范圍，則打開排氣扇進(jìn)行通風(fēng)。如果室內(nèi)光照強(qiáng)度不在設(shè)定范圍內(nèi)，則系統(tǒng)控制窗簾和燈具的打開或關(guān)閉。同時(shí)，如果室內(nèi)煙霧濃度超過設(shè)定值或者發(fā)生漏水事故，則煙霧或水浸傳感器通過聲光報(bào)警器報(bào)警。

如圖9所示，下課后，系統(tǒng)控制語音播放單元提醒“實(shí)驗(yàn)室下課注意事項(xiàng)”。人體紅外單元檢測室內(nèi)是否有人，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器通過IP攝像頭檢測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有人；如果實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人，則發(fā)出下課語音提醒；如果沒人，則關(guān)閉投影、空調(diào)、排氣扇和電源。

在無課期間，IP攝像頭、煙霧、水浸、震動(dòng)傳感器和聲光報(bào)警器要時(shí)刻保持工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)狀況。

3.2 ZigBee無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能有：開關(guān)量控制、開關(guān)量檢測、RS485通信、單線紅外遙控、三線語音串口通信。對(duì)于開關(guān)量的控制，可利用CC2530的IO口，通過光耦控制繼電器實(shí)現(xiàn)。開關(guān)量的檢測，可通過CC2530的定時(shí)器定時(shí)檢測IO口狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。RS485通信可通過CC2530的串口實(shí)現(xiàn)。三線語音串口可用過CC2530的三個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)。紅外遙控發(fā)射，可通過定時(shí)器控制IO口產(chǎn)生38KHz調(diào)制波，另外一個(gè)IO口發(fā)送調(diào)制數(shù)據(jù)，兩者通過圖4的調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射。

本部分重點(diǎn)對(duì)ZigBee無線通信部分進(jìn)行介紹。要通過ZigBee實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)功能，需要先配置1個(gè)協(xié)調(diào)器(本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)關(guān))，并設(shè)置PANID號(hào)，該協(xié)調(diào)器為整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，ZigBee無線節(jié)點(diǎn)配置為路由器，加入到協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器會(huì)為每個(gè)路由器設(shè)備分配一個(gè)16位的短地址(Short Address)。只要網(wǎng)絡(luò)中不再加入新的路由器或節(jié)點(diǎn)設(shè)備，短地址不會(huì)發(fā)生改變。ZigBee路由器的16位短地址(Short Address)可以作為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備通信地址使用。為了實(shí)現(xiàn)ZigBee短地址與實(shí)際物理地址的一一對(duì)應(yīng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，要進(jìn)行ZigBee短地址與實(shí)際物理地址的綁定。

如圖10所示。首先進(jìn)行硬件初始化，讀取ZigBee節(jié)點(diǎn)(ZigBee路由器)的PANID和短地址，然后判斷當(dāng)前設(shè)備的設(shè)備號(hào)DeviceID是否已配置，如果已配置，則將存儲(chǔ)在CC2530的Flash中的PANID和短地址與當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，如果數(shù)據(jù)一致，則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。如果信息不一致，則進(jìn)入DeviceID設(shè)置狀態(tài)。如果DeviceID未配置，則也進(jìn)入DeviceID配置狀態(tài)。通過按鍵輸入設(shè)備的DeviceID，并將PANID、短地址和DeviceID寫入Flash，然后將這些信息發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器存儲(chǔ)每個(gè)DeviceID對(duì)應(yīng)的短地址，并將接收的數(shù)據(jù)再次反饋到對(duì)應(yīng)的ZigBee路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)核實(shí)。如果數(shù)據(jù)核實(shí)正確，則進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了短地址與物理地址DeviceID的綁定。協(xié)調(diào)器收到各個(gè)路由反饋的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)短地址查找出對(duì)應(yīng)的物理地址。

3.3 ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)主要包括兩部分：ZigBee協(xié)調(diào)器和W7100網(wǎng)絡(luò)控制器。其中ZigBee協(xié)調(diào)器用于接收各個(gè)無線ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口傳送到W7100A的串口，W7100A將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。本部分著重對(duì)W7100A網(wǎng)絡(luò)控制器做重點(diǎn)論述。

W7100A可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的模式打開端口，并發(fā)送接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用了TCP通信方式。其中，TCP通訊中又包括：TCP服務(wù)器和TCP客戶端，兩者的區(qū)別是誰主動(dòng)發(fā)出連接請(qǐng)求。TCP服務(wù)器偵聽來自TCP客戶端的連接請(qǐng)求，接收發(fā)送的連接請(qǐng)求，并產(chǎn)生連接。TCP客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求到TCP服務(wù)器，并產(chǎn)生連接。[13]本系統(tǒng)中將W7100作為客戶端，實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)服務(wù)器作為服務(wù)器，服務(wù)器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)聽W7100客戶端的連接請(qǐng)求。

圖10 ZigBee短地址與物理地址的綁定過程[12]

W7100A實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的工作流程如圖11所示。首先W7100A打開SOCKET，向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求。連接建立后則進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)。若未建立連接，則在此嘗試連接，直至連接超時(shí)，關(guān)閉SOCKET。如果連接建立后，則配置好串口參數(shù)，如波特率、校驗(yàn)位、停止位等，并打開串口中斷，以便對(duì)串口中斷進(jìn)行處理。如果接收到服務(wù)器發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)，則將TCP數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，通過串口將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。如果接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，則將這些數(shù)據(jù)通過TCP發(fā)送到服務(wù)器。如果接收到服務(wù)器通過TCP發(fā)送的FIN數(shù)據(jù)包，則斷開TCP連接，并關(guān)閉SOCKET，終止TCP通信過程。

3.4 服務(wù)器軟件和客戶端軟件

服務(wù)器軟件和客戶端軟件主要包括：實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器管理平臺(tái)軟件、智能手機(jī)或PC機(jī)客戶端平臺(tái)軟件。如圖12所示[15-16]。管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)：智能課堂管理、智能電源管理、智能環(huán)境管理和視頻監(jiān)控?？蛻舳似脚_(tái)主要實(shí)現(xiàn)：遠(yuǎn)程門禁控制、遠(yuǎn)程電量監(jiān)控、遠(yuǎn)程電源控制、報(bào)警信息管理等幾項(xiàng)功能。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)，提高了實(shí)驗(yàn)室的管理水平、自動(dòng)化和智能化程度，減輕了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作負(fù)荷，把實(shí)驗(yàn)室管理人員從拿著鑰匙開門，檢查衛(wèi)生等繁瑣的勞動(dòng)中解放出來，讓實(shí)驗(yàn)室管理人員成為儀器設(shè)備使用的培訓(xùn)員和保障員，實(shí)驗(yàn)室安全的巡視員，解放了生產(chǎn)力[8]；同時(shí)，通過對(duì)電能的實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大限度地降低了實(shí)驗(yàn)室的耗電量；通過環(huán)境的智能感知與控制，為學(xué)生營造了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了課堂效率。

此外，用于改造升級(jí)實(shí)驗(yàn)室的部分物聯(lián)網(wǎng)裝備，也可以兼作物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科的教學(xué)演示模型，還可以充當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例的觀摩體驗(yàn)間。另外，下一步還可以在此基礎(chǔ)上，再增加RFID技術(shù)，讓存在于實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)的“死”物(指各種儀器設(shè)備)“活”起來，自主上網(wǎng)對(duì)話，自動(dòng)匯報(bào)它們的所在位置、物理指標(biāo)或運(yùn)行狀態(tài)，以供管理人員隨時(shí)隨地借助于互聯(lián)網(wǎng)、利用PC機(jī)或智能手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端，查詢和監(jiān)管現(xiàn)有的權(quán)限內(nèi)的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

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The Research and Practice of Intelligent Laboratory Based on Internet of Things

WUPeng-bo1,LIXue-hai1,YANGFei1,ZHANGJin-yan2

(1. Department of Telecommunication Engineering, Shijiazhuang Post & Communication Technology Institute, Shijiazhuang 050031, China; 2. Application of Information Consulting Institute, Hebei Communication Design & Consultation Co, LTD, Shijiazhuang 050021, China)

The grafting of the Internet of things to traditional labs has a brilliant future, it will enhance the intelligent level of supervision. Combined with the reality of the lab's improvement of our university, the paper introduces the construction scheme and technical details of the system including software and hardware, and the improvement in the aspects of "safety, energy saving, efficiency, comfort". It has been proved by practice that this management system has obtained the expected effect, it raises the level of lab management, reduces the workload of the staffs, saves energy and protects environment, and improves security and environment of lab teaching.

intelligent labs; internet of things; ZigBee; CC2530; WT588D; W7100A

2014-07-04

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(13214710)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃(Z2013142)；石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 校級(jí)項(xiàng)目(XR201317)

吳蓬勃(1980-)，男，河北辛集人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

Tel.：18931368610; E-mail: 18931368610@189.cn

O 647

A

1006-7167(2015)03-0078-08