羅家兵

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

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅家兵

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

0　引言

為了提高實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的利用率，有很多高校一個(gè)實(shí)驗(yàn)室往往具有多種用途，有可能既是微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室，又可能是計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)學(xué)生做微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，由實(shí)驗(yàn)員把微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)箱從柜子里面擺放到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，做完實(shí)驗(yàn)后又得把實(shí)驗(yàn)箱放回柜子，每次實(shí)驗(yàn)都重復(fù)同樣的工作，一來(lái)實(shí)驗(yàn)員工作量巨大，二來(lái)無(wú)法跟蹤實(shí)驗(yàn)箱的使用情況；三來(lái)容易出錯(cuò)。

針對(duì)以上不足，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)存放實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)箱抽屜的智能化：

（1）當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室登錄到本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證授權(quán)后對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)箱抽屜子門自動(dòng)打開(kāi)；

（2）實(shí)驗(yàn)箱抽屜子能夠自動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)箱是否存在；

（3）實(shí)驗(yàn)箱抽屜子能夠自動(dòng)報(bào)告自己的狀態(tài)：門的開(kāi)關(guān)、實(shí)驗(yàn)箱是否存在；

（4）系統(tǒng)能夠自動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)箱使用情況：誰(shuí)什么時(shí)候取走實(shí)驗(yàn)箱，什么時(shí)候放回實(shí)驗(yàn)箱子。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)概要

物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)際上又稱為傳感網(wǎng)，這是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。世界上的萬(wàn)事萬(wàn)物，小到手表、鑰匙，大到汽車、樓房，只要嵌入一個(gè)微型感應(yīng)芯片，把它變得智能化，這個(gè)物體就可以“自動(dòng)開(kāi)口說(shuō)話”。再借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們就可以和物體“對(duì)話”，物體和物體之間也能“交流”，這就是物聯(lián)網(wǎng)。一個(gè)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(dòng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)注物體信息的采集，同時(shí)還可以接收上層的命令讓物體執(zhí)行特定的動(dòng)作；網(wǎng)絡(luò)層主要借助于短距離、長(zhǎng)距離通信實(shí)現(xiàn)信息在各節(jié)點(diǎn)間的傳輸；應(yīng)用層是對(duì)感知層所收集的信息具體應(yīng)用，如監(jiān)測(cè)、分析等。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)箱的自動(dòng)化管理：能夠自動(dòng)記錄授權(quán)用戶在什么時(shí)候使用了實(shí)驗(yàn)箱、歸還了實(shí)驗(yàn)箱。授權(quán)分為兩種情況，具體見(jiàn)表：

表1　系統(tǒng)授權(quán)

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

整個(gè)系統(tǒng)還需要給實(shí)驗(yàn)管理人員提供實(shí)時(shí)查看每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的使用狀態(tài)：實(shí)驗(yàn)箱已從實(shí)驗(yàn)箱抽屜拿走或者放在實(shí)驗(yàn)箱抽屜中；實(shí)驗(yàn)管理員對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的歷史使用狀況進(jìn)行查看：誰(shuí)在何時(shí)使用了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)由終端：智能實(shí)驗(yàn)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(gè)智能實(shí)驗(yàn)箱抽屜構(gòu)成一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用Zig-Bee作為無(wú)線組網(wǎng)協(xié)議，其中，實(shí)驗(yàn)箱抽屜能夠自動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)箱存在狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)箱抽屜柜門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)ZigBee無(wú)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(wú)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(lái)，整個(gè)系統(tǒng)框架如圖3所示

4　實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

4.1系統(tǒng)感知層硬件設(shè)計(jì)

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(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)箱的存在狀態(tài)。該模塊可提供2-450cm的非接觸式距離檢測(cè)功能，測(cè)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(hào)輸出；

ECHO回想信號(hào)輸出；

OUT開(kāi)關(guān)量輸出。

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

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

系統(tǒng)使用磁力鎖用來(lái)控制實(shí)驗(yàn)抽屜柜門的開(kāi)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(kāi)鎖。

超聲波傳感器、門磁傳感器、磁力鎖通過(guò)線路和cc2530 ZigBee節(jié)點(diǎn)相連，ZigBee節(jié)點(diǎn)固定在實(shí)驗(yàn)抽屜柜門的上邊。

4.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是完成終端節(jié)點(diǎn)之間、終端節(jié)點(diǎn)和人之間的信息傳輸。本系統(tǒng)的的網(wǎng)絡(luò)層主要由無(wú)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(guò)網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。

終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器均以cc2530為核心構(gòu)成一個(gè)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)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(guò)ZigBee協(xié)議經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)匯聚到協(xié)調(diào)器。

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

5　實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

5.1傳感層軟件設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(diǎn)上的zstack配置為end_device，在協(xié)議棧中實(shí)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?？傮w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(jì)

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(jì)和網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)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(jì)

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

人機(jī)交互界面分為學(xué)生端和實(shí)驗(yàn)室管理員端。學(xué)生端主要讓學(xué)生輸入學(xué)號(hào)、密碼登陸系統(tǒng)，系統(tǒng)判斷其在該時(shí)間段被授權(quán)使用實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱抽屜門就會(huì)接收到系統(tǒng)發(fā)來(lái)的打開(kāi)柜門指令；實(shí)驗(yàn)室管理員端主要完成學(xué)生信息的注冊(cè)和授權(quán)管理。

圖6　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

6　結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)驗(yàn)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(jì)。依據(jù)該設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的大部分軟硬件模塊并通過(guò)了測(cè)試。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)室的管理將具有非常好的實(shí)際意義。

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

［2］王小強(qiáng)，歐陽(yáng)俊，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］王浩.開(kāi)放性計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.華南理工大學(xué)，2013.

［5］侯振云，肖進(jìn).MySQL5數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量的管理，而對(duì)誰(shuí)在什么時(shí)候使用了實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理造成了很大的麻煩甚至容易出現(xiàn)問(wèn)題。針先對(duì)該問(wèn)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(jì)，依據(jù)該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)將可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用情況的進(jìn)行自動(dòng)化管理。

物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備；自動(dòng)化管理

羅家兵，男，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧杰浖_(kāi)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.