羅家兵

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計算機系,廣州 510990）

智能實驗箱的設(shè)計與實現(xiàn)

羅家兵

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計算機系,廣州 510990）

設(shè)計一款能夠自動檢測實驗設(shè)備狀態(tài)、自動記錄實驗設(shè)備使用情況的智能實驗箱，其主要由設(shè)備信息檢測、傳輸兩部分組成。在硬件方面，主要研究ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、超聲波傳感器、觸碰傳感器、RFID讀卡器、壓力傳感器、繼電器、s5pv210嵌入式開發(fā)板的外圍設(shè)備；在軟件方面，主要研究Linux操作系統(tǒng)、QT的串口編程、網(wǎng)絡(luò)編程、JSON數(shù)據(jù)的解析等。

傳感器；ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；嵌入式Linux

0 引言

目前，存放實驗設(shè)備的實驗箱僅僅作為存放實驗設(shè)備的一個容器而已，無法自動記錄實驗設(shè)備的相關(guān)信息，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣發(fā)應(yīng)用，有必要讓實驗箱進行信息化的改造，實現(xiàn)實驗箱的智能化：

（1）可以預(yù)先設(shè)定實驗箱的可能打開時間，例如上午九點某某班來做微機原理實驗，學(xué)生只需要在實驗臺上登錄驗證，實驗箱即可自動打開，這樣實驗管理員就不用跑到實驗室逐個登記、發(fā)放實驗箱；

（2）實驗管理員坐在值班室就可以遠程觀察各實驗箱的狀態(tài)；

（3）如果某臺實驗箱出現(xiàn)問題，由于實驗箱的自動記載使用記錄，這樣可以追查到是否是故意損壞。

1 智能實驗箱國內(nèi)外研究動態(tài)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步應(yīng)用已經(jīng)給人們的生產(chǎn)、生活帶來了巨大的便利，相關(guān)的技術(shù)人員也在試圖把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域。在各個科研機構(gòu)、高校都會用到大量的實驗設(shè)備，也需要對實驗設(shè)備進行有效的管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開始在實驗設(shè)備管理方面應(yīng)用起來。

目前市面上有關(guān)人員研究最多的是把物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)應(yīng)用到實驗設(shè)備的管理，其主要是給每一實驗設(shè)備都貼上了一個RFID標(biāo)簽，通過該標(biāo)簽、讀寫器、后臺數(shù)據(jù)庫即可完成設(shè)備的智能化識別、管理，技術(shù)層面上都大致涉及下面幾個方面：

①為實驗箱配備具有唯一ID號的RFID標(biāo)簽，作為實驗箱的識別標(biāo)志；

②為實驗箱的每一模塊配備具有唯一ID號的RFID標(biāo)簽，作為模塊的識別標(biāo)志；

③RFID閱讀器讀寫RFID標(biāo)簽的ID號，通過Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點；

④主節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給上位機，進行數(shù)據(jù)分析、存檔和處理，實現(xiàn)實驗箱和模塊的入庫、借出、查詢和歸還等功能。

已有的物聯(lián)網(wǎng)在實驗設(shè)備上的應(yīng)用主要是從設(shè)備的類別、數(shù)量上進行了有效的管理，也的確大大提高了管理的效率，但是卻沒有對存放實驗設(shè)備的實驗箱的管理，這樣就無法自動獲取實驗設(shè)備何時從實驗箱里取走、放回的信息。

2 智能實驗箱模塊分析和架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模塊分析

系統(tǒng)可以分為三層：感知程、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層，

如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

（1）Android手機App與Web應(yīng)用模塊

Web作為服務(wù)器實現(xiàn)對MySQL數(shù)據(jù)庫的增刪改查，方便管理人員后臺的處理以及提供相關(guān)的接口實現(xiàn)與嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互。Android手機App應(yīng)用主要是讓管理員能夠?qū)崟r的觀察到實驗箱的狀態(tài)，以及學(xué)生的一些相關(guān)信息，必要時可以控制實驗箱的開關(guān)。

（2）嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸模塊

嵌入式Linux是整個系統(tǒng)的核心，在整個系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。底層ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通過串口與嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)的交互，使得底層數(shù)據(jù)能夠有效的上發(fā)到應(yīng)用層；而應(yīng)用層與嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)通過HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的交互，讓上層應(yīng)用可以間接的控制到底層。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與控制模塊。

利用RFID讀卡器采集學(xué)生的卡號、超聲波模塊檢測實驗箱是否存在、觸碰傳感器檢測實驗箱的開關(guān)狀態(tài)、壓力傳感器檢測實驗箱內(nèi)模塊是否存在，實時的把信息發(fā)送到嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)。在底層ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中還使用了繼電器、電磁鎖來控制實驗箱的開與關(guān)。實現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)的采集與控制。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗箱分為三大層。感知層:包括RFID讀卡器、超聲波模塊、壓力傳感器、繼電器、電磁鎖、ZigBee節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)傳輸層：包括嵌入式Linux、Web服務(wù)器、MySql數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用層：包括手機android端、網(wǎng)頁端。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了從感知層到應(yīng)用層、從應(yīng)用層到感知層數(shù)據(jù)之間的傳輸，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲，以及底層的控制。

3 系統(tǒng)通信協(xié)議的分析與設(shè)計

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與ZigBee主要是通過串口進行數(shù)據(jù)的交互。ZigBee協(xié)調(diào)器通過HalUARTWrite函數(shù)把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)，嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)則調(diào)用串口的readAll函數(shù)進行數(shù)據(jù)的接收；嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)通過串口的write函數(shù)給ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，ZigBee則通過回調(diào)函數(shù)與HalUARTRead函數(shù)進行數(shù)據(jù)的接收

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 網(wǎng)關(guān)與ZigBee通信協(xié)議的設(shè)計

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與ZigBee相關(guān)接口：

（1）網(wǎng)關(guān)串口讀寫接口

（2）ZigBee串口接口

3.2 網(wǎng)關(guān)與web服務(wù)器通信協(xié)議設(shè)計

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過HTTP協(xié)議實現(xiàn)。嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)通過get請求向Web服務(wù)器請求服務(wù)，而Web服務(wù)器則以JSON的格式返回相關(guān)數(shù)據(jù)，嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)接收到JSON數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解析并做相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器相關(guān)接口：

（1）狀態(tài)接口

請求參數(shù)

state：0試驗箱不存在，1存在

door:0柜子關(guān)閉1打開

matel_00表示器材名稱00表示器材編號0表示不存在1表示存在

matel_01如上

返回參數(shù)

（2）登錄接口

請求參數(shù)

rfid_id:用戶id

opernation:open打開試驗箱

返回參數(shù)

errorcode00成功

msg服務(wù)器提示信息

4 智能實驗箱的實現(xiàn)

4.1 實驗箱信息檢測模塊的實現(xiàn)

（1）實驗設(shè)備存在檢測模塊的實現(xiàn)

超聲波模塊HC-SR04主要用于測距，檢測實驗箱是否被取走，它有VCC、trig(控制端),echo(接收端)、GND四個引腳。其主要工作原理是先給trig(控制端)高電平延時至少10us后再給trig(控制端)低電平，此時模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過計算echo(接收端)高電平持續(xù)的時間，最后通過公式（測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s))/2）得到距離。

（1）對trig(控制端)，echo(接收端)兩個I/O口進行初始化

（2）先給trig(控制端)高電平延時至少10us后再給trig(控制端)低電平

（3）計算echo(接收端)高電平持續(xù)的時間

while(Echo==0);//等待ECHO管腳變?yōu)楦唠娖?/p>

（4）通過公式（測試距離=(高電平時間×聲速(340m/ s))/2）得到距離。

通過上面的步驟就可以獲取超聲波傳感器獲取的距離，由于考慮到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男时容^低，所以當(dāng)距離超過10cm是認為實驗箱是被取走的，否則實驗箱就是沒被取走。然后發(fā)送0和1表示這兩個狀態(tài)。

（2）實驗箱打開模塊的實現(xiàn)

繼電器通過控制電磁鎖上電與不上電來控制實驗柜的開關(guān)。繼電器模塊接口有VCC接5V、GND接電源負極、IN可以高或低電平控制繼電器吸合、繼電器常開接口，繼電器吸合前懸空，吸合后與COM短接、繼電器公用接口、繼電器常閉接口，繼電器吸合前與COM短接，吸合后懸空。電磁鎖是利用電生磁的原理，當(dāng)電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產(chǎn)生強大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達到鎖實驗柜的效果。當(dāng)沒有電流通過硅鋼片時，電磁鎖失去吸力即可開實驗柜。控制繼電器的開是通過命令“01O”來實現(xiàn)的，其中01代表實驗柜的ID好，O表示open的意思，即打開實驗柜01。當(dāng)實驗柜打開3s之后,會重新給電磁鎖上電，以保證實驗柜能被鎖上。

代碼實現(xiàn)步驟如下：

（1）繼電器I/O口初始化，默認電磁鎖是鎖上的。

（2）通過接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令來控制電磁鎖斷電

//ZigBee節(jié)點接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)的函數(shù)

4.2 實驗箱信息傳輸模塊的實現(xiàn)

ZigBee節(jié)點采集到各個傳感器之后需要把數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee節(jié)點需要做的工作分為以下幾步，第一：在OSAL_SampleApp.c文件中的tasksArr[]添加新任務(wù)的事件處理函數(shù)；第二：在OSAL_SampleApp.c文件中的void osalInit-Tasks(void)函數(shù)中添加新任務(wù)的初始化函數(shù)；第三：編寫新任務(wù)的初始化函數(shù)；第四：編寫新任務(wù)的事件處理函數(shù)；第五：編寫ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)和ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收函數(shù)。

代碼實現(xiàn)步驟如下：

（1）在OSAL_SampleApp.c文件中的tasksArr[]添加新任務(wù)的事件處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent

（2）在OSAL_SampleApp.c文件中的void osalInit-Tasks(void)函數(shù)中添加新任務(wù)的初始化函數(shù)SampleApp_Init(taskID)；

（3）編寫新任務(wù)的初始化函數(shù)void SampleApp_Init (byte task_id)，主要工作是初始化任務(wù)的優(yōu)先級、設(shè)備狀態(tài)、節(jié)點描述符，用afRegister(&SampleApp_epDesc)函數(shù)將節(jié)點描述符進行注冊。

（4）編寫新任務(wù)的事件處理函數(shù)，對消息進行處理。

（5）編寫ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。

（6）編寫ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收函數(shù)的代碼。

4.3 網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)步驟如下：

嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)步驟如下：

（1）實例化一個QNetworkRequest對象

QNetworkRequest*request=new QNetworkRequest();

//創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)請求對象

（2）數(shù)據(jù)請求

（3）數(shù)據(jù)處理

當(dāng)Web返回數(shù)據(jù)時，嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)通過函數(shù)finishedSlot(QNetworkReply*reply)來接收JSON數(shù)據(jù)

（4）嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)JOSN數(shù)據(jù)解析及處理

//獲取要解析的JSON數(shù)據(jù)

QByteArray bytes=reply->readAll();

QString string=QString::fromUtf8(bytes);

//通過實例化一個QScriptEngine對象進行JSON數(shù)據(jù)解析

5 結(jié)語

本文從實驗設(shè)備管理的智能化出發(fā)，應(yīng)用傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實驗箱，能夠自動檢測實驗設(shè)備信息、使用狀況，經(jīng)過測試運行良好，能夠給實驗設(shè)備的管理帶來方便。

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Design and Implementation of Intelligent Experiment Box

LUO Jia-bing

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

Designs a model can automatically detect the device status,use of automatic recording equipment,intelligent experiment box,the main information detection of equipment,transmission of two parts.In the aspect of hardware,mainly studies the ZigBee wireless network,ultrasonic sensor,touch sensor,RFID reader,pressure sensor,relay,s5pv210 embedded development board peripherals;in the aspect of software,studies the Linux operating system,QT serial port programming,network programming,parsing the JSON data,etc.

Sensor;ZigBee Wireless Network;Embedded Linux

1007-1423（2016）30-0065-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.30.017

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)

2016-09-06

2016-10-18