基于ZigBee技术的开放性实验室管理系统设计

2014-04-14叶恒校王庆泉何鹏飞项伟凯

科技视界 2014年11期

叶恒校王庆泉何鹏飞项伟凯

（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴 314001）

0 引言

近年来，为培养学生的创新意识和综合素质，引导学生的自主学习，使学生科技活动大众化、日常化，我院陆续建立了机械设计创新基地、电子信息创新实验室等开放性实验室，为学生自主开展科学研究和科技竞赛活动提供了实验室空间和资源。但与教学型实验室相比，开放性实验室的人员和设备流动性较大，开放时间长，增大了实验室管理人员的设备管理工作量和安全监管难度。因此，如何实现实验室全方位开放和实验室安全高效的管理已成为实验室管理人员亟待解决的重要问题。在此背景下，本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统[12-14]。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足了实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。

1 系统总体结构设计

系统由粘贴在设备上的电子标签、ZigBee终端节点（RFID读写器/阅读器）、ZigBee路由节点、ZigBee协调器（ZigBee/Ethernet网关）、应用管理服务器等几部分组成[6]，系统总体结构图如图1所示。

电子标签采用超高频无源射频标签[15]，内部贮存设备的编号、规格型号、维修记录、存放地点、价格等相关信息。终端节点的超高频RFID读写模块读取辐射范围内的电子标签的数据，经由板载的ZigBee射频模块把RFID采集的设备信息发送给ZigBee网关//协调器。终端节点同时接收来自ZigBee协调器的控制信息并传输给RFID读写模块。根据工作方式划分，终端节点又可划分为固定式RFID读写器和手持式RFID读写器两类[5]。其中，固定式RFID读写器分布在各个实验室入口处，主要负责设备出入定位，手持式RFID读写器用于日常设备巡检和电子标签管理。ZigBee网关/协调器安装于ZigBee无线传感网和以太网之间，收集来自各终端节点的数据，并将数据通过以太网传递给以太网中的应用管理服务器。通过网关实现了ZigBee数据包和以太网 TCP/IP数据包的透明传输，用户无需访问无线传感网中的各个终端节点就可以收集相关设备数据。应用管理服务器负责通过以太网接口接收来自ZigBee网关/协调器节点上传输来的设备数据，并保存在服务器中的数据库中。同时服务器通过以太网向ZigBee网关/协调器节点发出用于控制RFID读写模块的命令。另一方面，服务器提供局域网web服务，方便实验室管理人员通过访问服务器查看设备记录数据库[7]。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

系统硬件包括ZigBee网关/协调器、ZigBee路由节点、终端节点。

2.1 ZigBee网关/协调器设计

ZigBee网关/协调器由以下部件构成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射频通信板、扩展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、复位电路、时钟电路和调试电路等，构成微控制器最小系统。EMZ3118射频通信板实现ZigBee网络中协调器节点功能。EMZ3118是上海庆科公司生产的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可编程应用模块，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的无线解决方案，其发射功率达到100mW，发射距离远，信号稳定，可满足低成本的无线传感网需求。采用该模块降低了使用STM32W108芯片时硬件设计的难度。扩展底板上包含电源电路、以太网接口电路、液晶驱动电路、键盘接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口结构

EMZ3118整合了ZigBee射频(RF)前端，带有外部射频功率放大器，最大传输功率输出在-7～20dbm之间可编程，其视野范围内最大传输距离可达1.6km，RF数据速率250kb/s。模块有36个输出引脚，其中有24个GPIO输出端口引脚，4个中断端口引脚，6路12位A/D端口引脚，支持两路串行接口（UART/SPI/I2C）。设计中EMZ3118模块通过SPI接口与STM32F107VCT连接。模块的外部功放是通过STM32F108W的4个引脚来控制，其中PA3口控制外部功放电源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模块发射/接收操作模式，PA7控制输出天线接口类型。

2.1.2 以太网接口电路

网关主控制器STM32F107VCT内部已集成介质访问控制器(MAC)，支持 10M/100M 的以太网通信，提供了MII和 RMII两种接口模式。设计中主控芯片需要通过外部物理层接口芯片才能连接到物理层LAN总线。设计中使用DP83848VV，该芯片是TI公司生产的全功能低功耗10M/100M单端口物理层接口芯片。为了简化设计，设计中主控芯片和DP83848VV间采用RMII接口模式，这样RMII数据收发上比MII接口少了一倍的信号线。RMII接口模式下要求的50M总线时钟则由外部有源晶振SM7745DEV提供。网关与外部以太网通信还需要RJ－45接口，设计中选用了汉仁公司的网络变压器HR911105A，该网络变压器集成了网络变压器和RJ－45接口，可满足IEEE 802.3的电气隔离要求，解决前端信号因衰减、损耗等原因引起的数据丢包、传输中断等问题，从而有效保障了无失真传输以太网信号，并抑制辐射发射。

2.1.3 人机交互接口电路设计

人机接口包括4个通用彩色LED指示灯，带选择键的4向操作杆，通用按键、唤醒键和入侵检测按键，带触摸屏的3.2“TFT彩色LCD显示屏。LCD显示屏采用AM-240320D4TOQW，内置驱动器ILI9320，分辨率240(RGB)×320像素，可选SPI串行数据接口和18位RGB并行数据接口。设计中数据接口采用SPI接口，触摸屏的4位数据接口通过外部I/O扩展芯片STMPE811连接。

2.2 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点由主控制器、超高频RFID读写单元、ZigBee射频单元、液晶驱动、温湿度传感器、键盘、调试电路等组成。基于成本考虑，终端节点的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射频单元和人机交互电路与网关采用相同设计。设计中主控制器通过ZigBee无线接口接收服务器发送的指令并解析，实现对超高频RFID读写单元的控制和操作，同时将超高频RFID读写单元所采集的信息无线传输给服务器。因此，终端节点设计中超高频RFID读写单元是设计中的重点和难点。

2.2.1 超高频RFID射频电路设计[8-9]

RFID射频模块采用超高频RFID读写器专用芯片AS3993[3]。AS3993是奥地利微电子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID阅读器芯片，实现了完备的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C标准，在直接阅读模式下兼容ISO 18000-6A/B标准。该芯片集成度高，集成了模拟前端和底层协议处理，内置压控震荡器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收灵敏度达到90dB，支持跳频、数据底层传输编解码、数据组帧和循环冗余校验，具有低功耗的特点，并且对由天线反射回波等引起的干扰具有免疫效果。这对本文中移动式巡检器和固定式阅读器的设计极其重要。因为在RFID读写器设计中，天线设计经常遭受成本或尺寸限制。高灵敏度可使RFID读写器设计在达到自身要求的同时，可以使用更简单和便宜的天线，从而降低了系统成本和设计难度。本文设计中把以AS3993为核心的阅读器模拟前端设计成模块，这样模块可以很方便的与控制器STM32F103通过SPI接口实现数据交互。

2.2.2 传感器电路设计

终端节点的温湿度传感器和光强传感器用于检测实验室的环境参数。设计中温湿度传感器采用SHT11，其内置14位AD，串行数字输出，相对湿度精度达到±3RH，温度测量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口与控制器通讯。光强传感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中断输出接口，可编程设置光强度上下阀值，其模拟增益和数字输出可程控控制，适用于实验室光照控制和安全照明的应用。

3 ZigBee无线组网策略[11]

ZigBee 有星型（Star）、树型(Cluster Tree)和网状（Mesh）三种组网方式。考虑到各个开放实验室分布在同一楼层的不同房间，覆盖面广，并且距离相距较远，需要ZigBee网络能够覆盖整个楼层，并具有较远的通信距离，同时要求ZigBee具有较高的可靠性和健壮性。综合考虑三种组网方式的优缺点，设计中采用网状拓扑结构组网。各个安装在实验室出入口的固定式阅读器的ZigBee节点全部作为全功能设备，与分布在实验室内的各路由节点组成的的网状拓扑结构覆盖了整个楼层，提高了网络的可靠性和覆盖范围，便于移动式巡检器在整个楼层范围内的可靠有效工作。

4 系统软件设计

4.1 网关软件设计

网关软件采用uCOS-II嵌入式实时操作系统，主要包括系统和外围模块底层驱动、网关应用层协议和应用程序设计等部分。根据网关的功能需求，应用程序划分为系统驱动和控制任务、文件管理任务、人机交互任务、Zigbee组网任务、WSN通信交互任务、以太网通信交互任务、协议转换任务等，由uCOS-II内核统一调度管理。

4.2 终端节点软件设计

终端节点负责RFID设备数据和温湿度数据采集，实时将采集到的数据回传网关。软件可划分为主程序和底层驱动程序。。系统上电后，首先对硬件进行初始化设置，主要包括对AS3993工作模式、输出功率等参数的设置，以及对Zigbee模块的初始化设置。随后请求加入Zigbee无线网络，获准后控制AS3993发出读写标签命令，扫描是否有标签处于有效区域内。如果有效区域内有多个标签存在，则启用时隙随机防碰撞算法，读取单标签有效数据。接着读取终端节点的温湿度传感器的数据，最后把读取的数据回传到网关。底层驱动程序实现了AS3993和EMZ3118模块的SPI接口驱动。上层应用程序通过接口函数实现对AS3993和EMZ3118模块的各种操作。

5 系统性能测试

系统布置5个固定式RFID阅读器节点和1个移动式RFID阅读器节点，5个路由节点、1个协调器和一台应用服务器，在我校机械设计创新基地、电子信息创新实验室进行了性能测试。5个固定式RFID阅读器节点分布在5个实验室入口处，采用 3.3 V稳压电源供电，固定式节点中的Zigbee模块设置为全功能设备，可作为路由节点。移动式阅读器节点采用3V电池供电。4个路由节点分布在同层楼道，每个路由节点相距40米，1个路由节点布置在监控室。通过测试，终端节点与路由节点的的最大无丢包通讯距离达到70米，100米范围内丢包率小于2%。在10米范围内，可以无丢包穿过普通墙壁和房门的阻挡。RFID阅读器的读写距离在无遮挡条件下达到5米，可以满足实验室日常设备定位的需要。在移动时巡检设备中，可以在3米范围内防碰撞对单一设备标签进行读写操作，满足移动巡检设备需要。分布在各个实验室的温湿度传感器和光强传感器实时监测实验室环境参数的误差满足设计要求。

6 结束语

本文将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。通过系统性能测试，验证了设计的有效性和可行性，可为其他兄弟院校的实验室智能管理提供借鉴和参考。

［1］STMicroelectronics.UM0923 User manual EmberZNetTMapplicationdeveloper guide[OL].http://www.st.com/mcu,2010.

［2］Ember Corporation.EmberZNet Application Developer’s Reference Manual[OL].http://www.ember.com,2010.

［3］ams AG.AS3993_Datasheet_v2[OL].http://www.ams.com,2012.

［4］ams AG.Application Note AN13 Fermi Demo Reader-HW Description 1V0[OL].http://www.ams.com,2012.

［5］王淑君，吴军，李磊.基于PDA的RFID手持机开发研究[J].光通信研究,2008(6)∶55-67.

［6］梁龙，王春雪.基于RFID和Zigbee网络的分布式考勤系统设计[J].制造业自动化,2012(7)∶15-16.

［7］郭瑞，李胤，王永超，刘久文.基于Zigbee技术的RFID装备管理系统设计[J].测控技术，2011(5)∶89-93.

［8］陈勇，陆遥.基于AS3992的超高频RFID阅读器的设计及仿真[J].半导体光电，2013(1)∶158-161.

［9］周晓光，王晓华，王伟.射频识别RFID系统设计仿真与应用[M].北京人民邮电出版社，2008.

［10］侯金红，陈建伟，文光俊，等.兼容ISO18000-6B/6C UHF RFID读写器软件设计及实现[J].计算机应用,2011(A02)：166-168.

［11］赵敏，常杰，孙棣华.基于Zig Bee和ARM的分布式RFID信息采集系统的设计[J].传感器与微系统，2011(12)∶105-108.

［12］田建勇.浅析物联网技术及应用[J].电脑编程技巧与维护，2012(12).