關(guān)靜麗， 艾 紅， 陳雯柏

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

基于樹莓派和Yeelink的開放實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)靜麗， 艾 紅， 陳雯柏

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

為了實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一套基于樹莓派和Yeelink的開放實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部使用近距離無(wú)線通信技術(shù)ZigBee建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和空調(diào)電源、人體紅外和門窗磁等安防參數(shù)，樹莓派網(wǎng)關(guān)把ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)Yeelink，PC和手機(jī)用戶即可通過(guò)Yeelink實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

樹莓派； 開放實(shí)驗(yàn)室； Yeelink； 遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引 言

目前各高校都在大力提倡實(shí)驗(yàn)室開放，開放實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了一個(gè)寬松、便利的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以更好地培養(yǎng)其動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)。但隨之而來(lái)的各種問(wèn)題和安全隱患也給實(shí)驗(yàn)室管理工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了做好實(shí)驗(yàn)室的開放式運(yùn)行和管理，各種實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。

樹莓派(Raspberry Pi)是2012年由英國(guó)樹莓派基金會(huì)發(fā)行的一款卡片式計(jì)算機(jī)，它采用了ARM架構(gòu)處理器和Linux操作系統(tǒng)，在只有信用卡大小、購(gòu)買成本只需200元左右的硬件電路板上實(shí)現(xiàn)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的全部功能[4]。樹莓派接口豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)、有著豐富的開源軟件資源，與傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)平臺(tái)相比，在速度、集成度、價(jià)格和效率上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因而上市兩年來(lái)在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅速[5-7]。

Yeelink是一個(gè)開放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)，提供高并發(fā)接入服務(wù)器和云存儲(chǔ)方案，用戶不必了解服務(wù)器實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和運(yùn)行情況，就可以完成傳感器數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)和展現(xiàn)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取傳感器信息或者對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低速率、低成本、低功耗的雙向無(wú)線通信技術(shù)[8]，是適合構(gòu)建低速率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)之一，非常適合用于智能實(shí)驗(yàn)室、智能家居等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息和數(shù)據(jù)量較小的系統(tǒng)。

本文基于樹莓派、Yeelink和ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)開放實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

開放實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)主要由樹莓派網(wǎng)關(guān)、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、攝像頭模塊和系統(tǒng)客戶端4部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

樹莓派作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)內(nèi)部與外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信，通過(guò) ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各設(shè)備終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。同時(shí)，樹莓派通過(guò)CSI接口連接一個(gè)攝像頭，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)ZigBee組網(wǎng)和維護(hù)、通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與終端節(jié)點(diǎn)交換信息、通過(guò)串口與樹莓派網(wǎng)關(guān)通信。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)和空調(diào)電源監(jiān)測(cè)、人體紅外探測(cè)、火焰探測(cè)、煙霧探測(cè)和門磁等，并根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的控制，驅(qū)動(dòng)繼電器產(chǎn)生動(dòng)作，比如關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)和空調(diào)電源等。

實(shí)驗(yàn)教師使用PC機(jī)和智能手機(jī)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)Yeelink可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)樹莓派網(wǎng)關(guān)，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室情況，如發(fā)現(xiàn)學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)室后沒(méi)有關(guān)掉實(shí)驗(yàn)臺(tái)或空調(diào)，可以遠(yuǎn)程控制關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)或空調(diào)電源，如有異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)也可向手機(jī)終端發(fā)送推送報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 樹莓派網(wǎng)關(guān)

樹莓派網(wǎng)關(guān)采用樹莓派基金會(huì)2014年7月發(fā)布的B+型樹莓派，樹莓派B+板的主要部件包括片上系統(tǒng)SOC、內(nèi)存、USB、網(wǎng)絡(luò)控制器和電源，如圖2所示。片上系統(tǒng)SOC采用博通Broadcom BCM2835芯片，其中集成了CPU和圖像處理器GPU，CPU是ARMv6架構(gòu)的ARM1176JZF-S，工作頻率700 MHz。此外，樹莓派B+板提供了豐富對(duì)外接口，包括4個(gè)USB2.0接口、網(wǎng)絡(luò)接口、攝像頭接口、HDMI接口、SD卡接口和40針通用I/O接口等[9]。

圖2 樹莓派B+板

樹莓派網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口UART與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，樹莓派B+板提供了一個(gè)40引腳的雙排針通用I/O接口，其中除了通用GPIO引腳、電源、地信號(hào)外，還包括一些符合UART、SPI、I2C等總線接口標(biāo)準(zhǔn)的引腳，是樹莓派對(duì)外部硬件設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交換的重要通道。在這些外部I/O接口引腳中，GPIO14為串口數(shù)據(jù)發(fā)送端UART0_TXD，GPIO15為串口數(shù)據(jù)接收端UART0_RXD，GPIO17為請(qǐng)求發(fā)送UART0_RTS。

攝像頭模塊采用500萬(wàn)像素的OV5647鏡頭，能拍攝分辨率為2 592×1 944像素的圖片，或錄制30幀/s的1 920×1 080像素的視頻，通過(guò)串行接口CSI直接與樹莓派的圖像處理器GPU模塊相連。

2.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。

(1) ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、接收和處理各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、把網(wǎng)關(guān)傳達(dá)的指令發(fā)送給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器采用 CC2530芯片為核心器件構(gòu)成，CC2530是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻單片機(jī)，CC2530很好地支持了TI公司的 Z-Stack 2007協(xié)議棧，能夠方便地組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線傳輸[10]。CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，其外圍電路非常簡(jiǎn)潔，主要包括巴倫匹配電路、晶振、阻抗匹配、濾波電路、電源去耦等電路[11]。CC2530通過(guò)串口與樹莓派網(wǎng)關(guān)相連。

(2) ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)由ZigBee模塊和采集/控制模塊組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器、根據(jù)協(xié)調(diào)器的指令控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。ZigBee模塊在硬件上與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相同，只是軟件設(shè)計(jì)不同。采集/控制模塊主要包括人體紅外探測(cè)、門窗磁傳感器采集模塊和實(shí)驗(yàn)臺(tái)、空調(diào)電源控制模塊。

人體紅外熱釋電傳感器的作用是監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室是否有人，可與門磁傳感器配合使用。在工作時(shí)段，當(dāng)監(jiān)測(cè)到一段時(shí)間實(shí)驗(yàn)室無(wú)人而門未關(guān)好時(shí)，通知實(shí)驗(yàn)室管理員前去查看是否學(xué)生離開忘記關(guān)門。在夜間，如監(jiān)測(cè)到有人異常侵入，發(fā)送報(bào)警信息。紅外熱釋電傳感器模塊主要由紅外熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路采用集成芯片BISS0001，其內(nèi)部的放大器將來(lái)自熱釋電傳感器的信號(hào)放大后，通過(guò)比較器和定時(shí)器轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)輸出至CC2530的I/O輸入口。

門磁傳感器用來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室門的開關(guān)狀態(tài)，由永磁體和無(wú)線發(fā)射模塊兩部份組成，分別安裝在門框和門扇里，永磁體用來(lái)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，無(wú)線發(fā)射模塊內(nèi)有一個(gè)常開型的干簧管，當(dāng)磁體與干簧管的距離保持在1.5 cm內(nèi)時(shí)，干簧管處于斷開狀態(tài)，一旦磁體與干簧管分離的距離超過(guò)1.5 cm時(shí)，干簧管就會(huì)閉合。采用MC-38型有線門磁，無(wú)線發(fā)射模塊一側(cè)有2根導(dǎo)線, 一根導(dǎo)線連接3.3 V電源，另一根導(dǎo)線連接CC2530的I/O輸入口。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室門關(guān)閉時(shí)，門磁開關(guān)斷開，輸入為低電平；當(dāng)門實(shí)驗(yàn)室打開時(shí)，門磁開關(guān)導(dǎo)通，輸入高電平，CC2530 通過(guò)判斷輸入電平的高低即可獲取門的開關(guān)狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源控制模塊由電流電壓檢測(cè)電路和3.3 V/5 A固態(tài)繼電器組成，如圖3所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人或非工作時(shí)段檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源未關(guān)閉時(shí)，可通過(guò)CC2530的I/O輸出口經(jīng)光耦隔離來(lái)控制固態(tài)繼電器關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源控制模塊

空調(diào)電源控制器因入口電壓為 380 V，需采用3路繼電器來(lái)分別控制 U、V、W三相的通斷，固態(tài)繼電器也相應(yīng)地選用3.3 V/10 A大功率繼電器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 樹莓派網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

樹莓派采用Raspbian操作系統(tǒng)，它是一個(gè)基于Debian發(fā)行版Linux修改得到的適用于樹莓派的操作系統(tǒng)，具有完整的TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議，有著豐富的開源軟件資源，支持C語(yǔ)言、C++和Java、Python等腳本語(yǔ)言。

樹莓派網(wǎng)關(guān)作為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，其主線程流程如圖4所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入設(shè)備初始化、加載系統(tǒng)設(shè)置并啟動(dòng)攝像頭，接收并處理ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)后，把攝像頭采集的圖像、實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源及各傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳Yeelink網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到非工作時(shí)段或工作時(shí)段實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人而實(shí)驗(yàn)臺(tái)或空調(diào)電源未關(guān)閉等異常情況時(shí)，向網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息；當(dāng)收到客戶端通過(guò)云平臺(tái)下達(dá)的命令時(shí)，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，完成客戶端的遠(yuǎn)程控制操作，如關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)或空調(diào)電源等。當(dāng)夜間監(jiān)測(cè)到門磁傳感器或人體紅外傳感器異常情況時(shí)，由子線程向網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息[12-13]。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)Yeelink提供了基于HTTP協(xié)議的API接口，可以通過(guò)HttpRequest方式上傳或查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

圖4 樹莓派網(wǎng)關(guān)流程圖

3.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)基于TI公司的Z-Stack 2007協(xié)議棧完成，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(1) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器是ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與管理者，負(fù)責(zé)組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)與樹莓派和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過(guò)信道掃描，找到一個(gè)空閑的信道，生成一個(gè)工作范圍內(nèi)所沒(méi)有的網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PAN ID)，建立ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然后檢測(cè)是否有入網(wǎng)需求的合法終端節(jié)點(diǎn)，等待節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。在各終端節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)后，實(shí)時(shí)獲取終端節(jié)點(diǎn)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[14]，通過(guò)串口發(fā)送給樹莓派網(wǎng)關(guān)；當(dāng)接收到來(lái)自網(wǎng)關(guān)的指令時(shí)，發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器工作流程圖

(2) 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中包含多個(gè) ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)具體功能擴(kuò)展了不同的傳感器模塊或控制模塊，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器，或者執(zhí)行協(xié)調(diào)器下達(dá)的指令，控制相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備動(dòng)作。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信部分，這些終端節(jié)點(diǎn)的程序功能是一致的，其流程圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖

終端節(jié)點(diǎn)在上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)建立后即可采集傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，采集結(jié)束進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電量，當(dāng)采集任務(wù)定時(shí)到期時(shí)自動(dòng)喚醒。處在休眠狀態(tài)的終端節(jié)點(diǎn)一旦接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的喚醒信標(biāo)，馬上觸發(fā)中斷，進(jìn)入正常工作模式，根據(jù)協(xié)調(diào)器命令指示，執(zhí)行規(guī)定的數(shù)據(jù)采集任務(wù)或外部設(shè)備控制任務(wù)，任務(wù)完成后重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 客戶端軟件

本系統(tǒng)采用Yeelink平臺(tái)作為云端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)[15]。首先登錄Yeelink平臺(tái)，注冊(cè)一個(gè)個(gè)人賬號(hào)，登錄后在用戶中心界面添加設(shè)備，然后在設(shè)備管理界面添加傳感器并設(shè)置相應(yīng)類型，即可獲得和用戶唯一相關(guān)的API key 和設(shè)備及傳感器ID。PC和手機(jī)終端都可通過(guò)Yeelink實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，手機(jī)APP管理界面如圖7所示。

圖7 Yeelink平臺(tái)的手機(jī)APP界面

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著各高校實(shí)驗(yàn)室的開放式運(yùn)行，各種安全隱患也隨之增加?；跇涿放珊蚙igBee的開放實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)，利用樹梅派和ZigBee技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和空調(diào)電源監(jiān)測(cè)、人體紅外探測(cè)和門窗磁等安防參數(shù)的檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)目前只實(shí)現(xiàn)了基本功能，還有許多不足之處，比如攝像頭角度單一、圖像效果也略顯拙劣等尚需完善。

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[8] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，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.

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[13] Wolfram Donat. Learn Raspberry Pi Programming with Python[M]．Berkeley: Apress，2014．

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[15] Yeelink.物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)Yeelink[EB/OL].http://www.yeelink.net/，2016.

·名人名言·

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕

Design of the Monitoring System of Open Laboratory Based on Raspberry Pi and Yeelink

GUANJingli，AIHong，CHENWenbai

(School of Automation， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China)

In order to realize the safety of the open laboratory，a remote monitoring system of open laboratory is designed based on Raspberry Pi and Yeelink. In the laboratory ZigBee is used to build a wireless sensor network, and security parameters such as power supply of experimental bench and air conditioner, human infrared and door status are collected in real time. Raspberry Pi is used to send the environmental data from ZigBee coordinator to cloud platform of Yeelink. PC and the mobile phone users can realize remote monitoring through Yeelink. The system has some practical values for the safety management of the open laboratory.

raspberry pi； open laboratory； Yeelink； remote monitoring

2016-07-08

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4162025)；北京科技實(shí)驗(yàn)大學(xué)促進(jìn)高校內(nèi)涵發(fā)展項(xiàng)目(5111623311)

關(guān)靜麗(1973-)，女，吉林乾安人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

Tel.：13681516804；E-mail：jinguanjingli@163.com

TP 302

A

1006-7167(2017)03-0116-04