基于物联网的智能实验室研究与实践

吴蓬勃， 李学海， 杨 斐， 张金燕

(1. 石家庄邮电职业技术学院 电信工程系， 河北 石家庄 050031；



·专题研讨·虚拟仿真实验(19)·

基于物联网的智能实验室研究与实践

吴蓬勃1， 李学海1， 杨 斐1， 张金燕2

(1. 石家庄邮电职业技术学院 电信工程系， 河北 石家庄 050031；

2. 河北电信设计咨询有限公司 信息应用咨询院， 河北 石家庄 050021)

结合本校实验室的实际改进情况，从“安全、节能、高效、舒适”四个方面，从软件系统到硬件系统，阐述了基于物联网技术的智能实验室管理系统的构建方案和技术细节，实现了实验室的智能课堂管理、智能电源管理、智能环境管理等功能。实践证明，该系统在提高实验室的管理水平，减轻实验员工作负担，改善实验室教学环境，以及节能环保、安全防范等方面均获得了预期效果。

智能实验室； 物联网技术； ZigBee； CC2530； WT588D； W7100A

0 引 言

物联网技术是一种新兴的前沿技术。从广义上讲，物联网是信息空间与物理空间的融合互通，将人们周围的一切事物给数字化、网络化、自动化、智能化，是实现高效信息交互的有效手段，是信息化在人类社会综合运用并且达到的更高境界。物联网技术正在悄然走近人们生活的方方面面，确信它必将更加深入公众生活的角角落落。为了推广普及物联网技术尽快应用于我国工业、农业、国防、科技、教育等各个领域，国家创建了“无锡国家物联网应用展示中心”，这也是一个国家级的教学、观摩、体验基地或者公共实验室。

实验室是学校仪器设备的汇聚之地，其防火、防盗、防水、防鼠等安防问题至关重要，是一个当家人不得不重视的问题；实验室往往也是学校接待学术参访者(或参访团)的必到之地，是学校的重要名片之一，其信息化管理程度是展示学校科研和管理水平的重要标志，也是学校综合实力的主要体现；实验室往往又是高新技术、高新装备、高新成果展览和体验之地，也是高新科技项目的研发和诞生之地，其自身的环境、设备、人员的监管技术不应太陈旧落伍，自然不应该拒绝物联网技术的融入；实验室往往还是教师和学生的会集之地，人身的舒适和安全问题，也应该引起足够重视。总之，实验室是人和物的集中地，采纳物联网技术来武装正是恰如其分、天作之合[1-3]。

本项目所实现的目标是，给传统实验室插上物联网技术的腾飞翅膀。即针对目前高校中的传统实验室，从安全、节能、高效、舒适四个方面，试图设计一种基于物联网的智能实验室监管系统的升级方案，并且通过硬件和软件的精选和设计，不仅实现实验室的智能课堂管理、智能电源管理、智能环境管理等功能，而且还实现从课前、课中到课后的全程监控，这必将有效地提高实验室的监管水平，把实验室管理的信息化程度向前推进一大步！

1 总体规划

基于物联网的智能实验室监管系统，主要由三个层次或三种类型的网络组成——广域互联网、局域以太网和无线传感器网。总体架构如图1所示。

图1 基于物联网的智能实验室监管系统架构

借助于远端的智能手机或PC微机，可通过“广域互联网”连接实验室管理系统服务器，实时了解实验室的运行情况并进行相应的控制。实验室管理系统服务器、教务管理系统服务器、IP摄像头、无线传感网网关(ZigBee网关)，通过“局域以太网”实现互联互通，其中IP摄像头用于实时获取实验室的视频影像，以便实验室管理人员对实验室进行远程监控。ZigBee网关实现“无线传感网”与以太网的互联，无线传感网用于感知实验室运行状态并进行相应的控制。

无线传感网主要包括三部分功能：智能课堂管理、智能电源管理和智能环境管理。

(1) 智能课堂管理。主要包括：门禁控制[4-5]、全向红外遥控、语音提醒控制三部分。它们均通过ZigBee模块与ZigBee网关无线连接。其中门禁控制部分可实现：手动刷卡开门、手机或PC机远程开门(即：通过ZigBee遥控开门)，另外如果在上课时刻，实验室门未打开，教务管理系统服务器会向实验室管理人员手机发送开门提醒，以保证课程的正常进行。另外，教务管理系统也可通过任课教师刷卡情况检查教师的考勤，防止迟到和早退现象的发生。全向红外遥控部分，安装在屋顶，用于控制实验室的投影、空调的自动开关[6]。语音提醒部分，主要用于提醒任课教师或学生实验室使用注意事项[7]。

(2) 智能电源管理。主要包括：电量监测和电源开关控制两部分。这两个部分也通过ZigBee模块与ZigBee网关无线连接。电量监测主要由智能电表完成，用于实时监测实验室的电流、电压、功率等用电参数，智能电表通过RS485总线连接到ZigBee模块，将实验室的用电情况实时的反馈到实验室管理服务器。电源开关控制部分，主要实现电源的闭合和断开，该项功能通过ZigBee模块控制继电器,可实现对多台设备的电源控制[8]。

(3) 智能环境管理。主要实现实验室环境参数的实时监测并进行相应的控制[9]。主要包括传感单元与执行单元两大部分。这两部分均通过ZigBee模块连接ZigBee网关。传感单元用于感知环境参数，包括：温度、湿度、二氧化碳浓度、光照、水浸、人体红外、烟雾、震动等参数的监测。执行单元主要用于控制实验室相应的设备动作，主要包括：空调遥控控制、换气扇控制、电动窗帘控制、声光告警控制四个部分。

当环境温湿度低于设置阈值时，温湿度传感单元通过ZigBee网络向实验室屋顶的全向遥控发送空调控制指令，实现实验室的调温、调湿。另外，在上课时，实验室内人员密集，二氧化碳的浓度会大幅提高，当浓度高于设置阈值时，二氧化碳传感器会输出相应的控制信号，并通过ZigBee网络向换气扇发送换气指令。为了最大限度的节能，当光照高于设置阈值后，光敏传感器通过ZigBee网络发出调光指令，控制窗帘闭合或部分闭合，同时将灯光关闭或调弱；当光照低于设定阈值时，光敏传感器通过ZigBee网络发出调光指令，控制窗帘打开，同时将灯光开启或调强。对于阴雨天气，实验室可能会发生漏水事件，水浸传感器能够实时检测到这一事件，并发出本地声光报警，同时向服务器和远端的手机发出漏水告警。另外，烟雾传感器用于烟雾报警；人体红外传感器用于检测室内是否有人；震动传感器安装在门、窗上用于防盗报警。

2 硬件设计

为了充分利用现有校园网资源、减少重复投资、缩短研发时间，本系统的硬件设计是在校园网基础之上展开的，主要涉及新添部分且需要自制的ZigBee无线传感网络部分，其它新添部分(如服务器，PC机，手机，IP摄像头等)均选用现有的或选购现成的产品即可。因此，这里只需重点介绍ZigBee无线传输节点、ZigBee网关的硬件设计。

2.1 ZigBee无线传输节点设计

在智能课堂管理、智能电源管理和智能环境管理中，设备间的无线连接都用到了ZigBee无线传输节点。按照设备类型可分为：开关量输入设备、开关量输出设备、数据输入设备、数据输出设备。如表1所示。

根据表1的设备分类，可得出ZigBee无线传输节点应具备的功能：12 V直流和220 V交流电的开关量控制、开关量检测、RS485通信、单线红外遥控、三线串口通信。由此可得出ZigBee无线传输节点的框图，如图2所示，包括：交/直流继电器单元、开关量检测单元、全向红外遥控单元、语音提醒单元、RS485通信单元和CC2530无线ZigBee单元。具体的ZigBee节点可根据连接设备的不同，对这几个单元模块进行相应的裁剪。其中，交/直流继电器单元由CC2530直接连接光耦控制交/直流继电器，实现对12V直流和220V交流电源的间接控制。开关量检测单元将信号量通过光耦隔离后直接连到CC2530的IO口，通过定时器控制周期性检测实现。

表1 设备类型划分

2.1.1 CC2530无线ZigBee单元

本系统的ZigBee无线通信部分，采用了TI公司的ZigBee/IEEE 802.15.4无线射频收发器CC2530。该芯片结合了RF收发器、增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KB的RAM和许多其他模块，功能强大。它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530在各运行模式之间转换的时间很短，使其进一步降低能源消耗。CC2530无线ZigBee单元的电路，如图3所示。天线将ZigBee无线信号转换为数据信号，CC2530将数据进行解析后，转换为相应的逻辑命令，驱动执行部件完成动作。

值得特别注意是CC2530的天线部分，一般采用2种设计方案：一种是SMA天线；另一种是PCB天线。在用SMA天线时，距离一般是350～450 m；而PCB天线如果做得不好，只有100～150 m左右。考虑到室内存在墙壁等障碍物的遮挡，又要确保无线信号可靠传输，本系统采用了SMA天线[12]。

2.1.2 全向红外遥控单元

图3 CC2530无线ZigBee单元电路图[12]

全向红外遥控单元用于实现对投影仪、空调机等实验室内红外遥控设备的控制。由于投影仪、空调机的安装位置可能比较分散，因此本系统采用了6个红外发射管，进行360°全向发射，保证室内所有的红外遥控设备均能可靠接收。

电路如图4所示，CC2530产生的38 kHz方波信号OUT_38K用作载波，CC2530要发送的信号TX_DATA用38kHz载波进行调制，然后通过红外发射管发送出去。其中Q2和Q3的9012用来将信号与载波进行“与”操作，同时又作为功率驱动器件。

图4 38 kHz全向红外调制发射电路图

2.1.3 语音播放单元

语音播放单元用于实验室上课前、下课后等时段，对任课教师或者上课学生进行注意事项提醒。所需的语音在某个时期内可能固定不变，但是也应能够对语音进行更新。因此本系统采用了广州唯创科技的WT588D语音方案，同时外加了功放，以保证实验室内的所有人员都可听到响亮的语音提醒。

WT588D是一款集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。具有MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式，完全支持6～22 kHz采样率的音频加载。通过配套软件WT588D voiceChip轻而易举的做到语音组合播放、插入完美的陶冶静音。可控制的语音地址位能达到220个，每个地址位里能加载可组合语音为128段语音。WT588D系列语音芯片可根据实际用法外置SPI-FLASH存储器，众多的控制模式、语音组合只需更换SPI-FLASH的内容，即可完全实现操作方式的切换。

语音播放单元的电路图如图5所示。主要包括3部分：语音播放芯片WT588D、外置SPI串口Flash存储器芯片25Pxx和功放芯片TDA2822M。在本系统中采用的是WT588D的三线串口模式，WT588D的7、8、9脚分别作为数据、片选和时钟脚，连接CC2530单片机；CC2530单片机通过这三个引脚输出语音索引信号到WT588D；WT588D播放索引地址对应的音乐。其中语音的加载、索引地址的设置、连接模式的选定，均是通过“上位机软件WT588D voiceChip”来配置的。配置好后，通过一个连接到JDown接口的“USB下载器”，实现语音下载即可。在进行电路板设计时需要注意，语音芯片WT588D的VDD电源滤波阻容元件R30和C51的布局，务必靠近WT588D，否则可能影响语音的播放音质。功放电路选用小巧的TDA2822M，电阻R24的阻值越大音量越大，取值范围一般为0.270～1.2 kΩ。

图5 语音播放电路图

2.1.4 RS485通信单元

RS485通信单元主要应用于CC2530与智能电表、温湿度传感器等RS485接口设备进行通信。电路图如图6所示。其中，采用了TI公司的具有瞬变电压抑制功能的差分收发器SN75LBC184，为了节省CC2530的IO口，通过发送端TXD_MAX485对8050三极管的控制实现了对于SN75LBC184收发使能的控制(2，3脚)。另外，TVS1～TVS3(P6KE6.8CA)是用来防雷保护的TVS瞬变二极管；R10和R13(TRF250-120u)为自恢复保险丝，用于后级隔离和过流保护；R11(B3D090L)为贴片柱形体，用于共模保护；R15(BA151N)为贴片陶瓷气体放电管，用于差模保护。

图6 RS485通信电路图

2.2 ZigBee网关设计

ZigBee网关实现的主要功能是：将ZigBee无线信号转换为适合以太网传输的电信号。主要包括两部分：ZigBee协调器和W7100A网络控制器。其中ZigBee协调器用于接收各个无线ZigBee节点的数据，将数据通过串口传送到W7100A的串口，W7100A将串口数据转换为以太网数据发送到服务器。ZigBee协调器的电路基本同于图3中CC2530无线ZigBee单元的电路，这里仅对W7100A网络控制器做重点描述。

W7100A是韩国WIZnet公司开发的一款网络处理器，该芯片集成了全硬件TCP/IP内核及8051CPU。它的指令处理所采取的流水线结构(Pipelined architecture)，使其速度高达88 MHz，是一款高速8位单片机。由于W7100A采用完全硬件化的TCP/IP核，不会占用8051单片机资源去处理网络传输，因而达到既可靠又高速的网络性能，完全不会像软件TCP/IP那样受到单片机程序负荷的影响。另外，该芯片内置了以太网物理层电路，可直接连接有内置变压器的RJ45插座，而不再需要额外的物理层电路芯片。[13]

采用一片独立看门狗MAX811T构建W7100A的复位电路；BOOT开关用于设置运行模式，BOOTEN为高电平时，启动Boot运行模式；BOOTEN为低电平时，启动用户应用程序模式。W7100A需要连接外部晶体振荡器才可运行，其中25 MHz时钟电路为TCP/IP内核提供时钟，11.059 2 MHz时钟电路为MCU内核提供时钟。W7100A通过TXON和TXOP脚输出数据差分信号到外部线路；通过RXIN和RXIP接收外部线路的差分数据信号；这两路差分信号通过RJ45接口与外部网络连接。另外，W7100A的串口RXD和TXD与ZigBee协调器串口连接，实现ZigBee协调器到W7100A、W7100A到以太网的数据通路，从而实现了各个ZigBee节点到实验室服务器的数据通路。

3 软件设计

本系统的软件部分主要包括：ZigBee无线节点软件、ZigBee网关软件、服务器软件和客户端软件等。

3.1 软件概述

在图7～图9中分别描绘了实验室课前、课中和课后的智能管理流程。

如图7所示，准备上课时，任课教师刷卡可打开实验室门，同时教务系统自动记录任课教师考勤；如果任课教师未带IC卡，而实验室管理人员又未及时开门，则教务管理服务器会向实验室管理人员发送开门提醒，实验室管理人员可通过手机远程发送开门指令，通过实验室服务器连接的ZigBee网络实现远程开门动作。开门后，智能电源管理单元控制电源接通，同时智能电表开始进行电量监控。任课教师和学生进入实验室后，系统发送语音提醒指令，提醒实验室注意事项。同时，全向红外遥控单元控制投影仪打开。

如图8所示，在上课期间，温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、光敏传感器对实验室内的环境参数进行实时监测。如果温湿度不在设定范围内，则系统通过全向红外遥控设置空调工作参数，进行温湿度调节。如果室内二氧化碳浓度超出设定范围，则打开排气扇进行通风。如果室内光照强度不在设定范围内，则系统控制窗帘和灯具的打开或关闭。同时，如果室内烟雾浓度超过设定值或者发生漏水事故，则烟雾或水浸传感器通过声光报警器报警。

如图9所示，下课后，系统控制语音播放单元提醒“实验室下课注意事项”。人体红外单元检测室内是否有人，同时实验室服务器通过IP摄像头检测实验室内是否有人；如果实验室内有人，则发出下课语音提醒；如果没人，则关闭投影、空调、排气扇和电源。

在无课期间，IP摄像头、烟雾、水浸、震动传感器和声光报警器要时刻保持工作，实时监控实验室内状况。

3.2 ZigBee无线节点软件设计

ZigBee无线传输节点实现的功能有：开关量控制、开关量检测、RS485通信、单线红外遥控、三线语音串口通信。对于开关量的控制，可利用CC2530的IO口，通过光耦控制继电器实现。开关量的检测，可通过CC2530的定时器定时检测IO口状态实现。RS485通信可通过CC2530的串口实现。三线语音串口可用过CC2530的三个IO口实现。红外遥控发射，可通过定时器控制IO口产生38KHz调制波，另外一个IO口发送调制数据，两者通过图4的调制电路实现红外发射。

本部分重点对ZigBee无线通信部分进行介绍。要通过ZigBee实现自动组网功能，需要先配置1个协调器(本系统的ZigBee网关)，并设置PANID号，该协调器为整个无线传感网络的核心，ZigBee无线节点配置为路由器，加入到协调器所构建的网络中，协调器会为每个路由器设备分配一个16位的短地址(Short Address)。只要网络中不再加入新的路由器或节点设备，短地址不会发生改变。ZigBee路由器的16位短地址(Short Address)可以作为网络中各个设备通信地址使用。为了实现ZigBee短地址与实际物理地址的一一对应，在ZigBee网络构建时，要进行ZigBee短地址与实际物理地址的绑定。

如图10所示。首先进行硬件初始化，读取ZigBee节点(ZigBee路由器)的PANID和短地址，然后判断当前设备的设备号DeviceID是否已配置，如果已配置，则将存储在CC2530的Flash中的PANID和短地址与当前读取的数据进行匹配，如果数据一致，则进入数据收发状态。如果信息不一致，则进入DeviceID设置状态。如果DeviceID未配置，则也进入DeviceID配置状态。通过按键输入设备的DeviceID，并将PANID、短地址和DeviceID写入Flash，然后将这些信息发送到ZigBee协调器，协调器存储每个DeviceID对应的短地址，并将接收的数据再次反馈到对应的ZigBee路由器进行数据核实。如果数据核实正确，则进入数据收发状态。通过这种方式，实现了短地址与物理地址DeviceID的绑定。协调器收到各个路由反馈的数据就可以根据短地址查找出对应的物理地址。

3.3 ZigBee网关软件设计

ZigBee网关主要包括两部分：ZigBee协调器和W7100网络控制器。其中ZigBee协调器用于接收各个无线ZigBee节点的数据，将数据通过串口传送到W7100A的串口，W7100A将串口数据转换为以太网数据发送到服务器。本部分着重对W7100A网络控制器做重点论述。

W7100A可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的模式打开端口，并发送接收数据。本系统为了保证数据的可靠传输，采用了TCP通信方式。其中，TCP通讯中又包括：TCP服务器和TCP客户端，两者的区别是谁主动发出连接请求。TCP服务器侦听来自TCP客户端的连接请求，接收发送的连接请求，并产生连接。TCP客户端发出连接请求到TCP服务器，并产生连接。[13]本系统中将W7100作为客户端，实验室管理系统服务器作为服务器，服务器会实时监听W7100客户端的连接请求。

图10 ZigBee短地址与物理地址的绑定过程[12]

W7100A实现串口转以太网的工作流程如图11所示。首先W7100A打开SOCKET，向服务器发送连接请求。连接建立后则进入ESTABLISHED状态。若未建立连接，则在此尝试连接，直至连接超时，关闭SOCKET。如果连接建立后，则配置好串口参数，如波特率、校验位、停止位等，并打开串口中断，以便对串口中断进行处理。如果接收到服务器发送的TCP数据，则将TCP数据放入缓冲区，通过串口将这些数据发送到ZigBee协调器。如果接收到ZigBee协调器发送的串口数据，则将这些数据通过TCP发送到服务器。如果接收到服务器通过TCP发送的FIN数据包，则断开TCP连接，并关闭SOCKET，终止TCP通信过程。

3.4 服务器软件和客户端软件

服务器软件和客户端软件主要包括：实验室服务器管理平台软件、智能手机或PC机客户端平台软件。如图12所示[15-16]。管理平台主要实现：智能课堂管理、智能电源管理、智能环境管理和视频监控。客户端平台主要实现：远程门禁控制、远程电量监控、远程电源控制、报警信息管理等几项功能。

4 结 语

基于物联网的智能实验室监管系统，提高了实验室的管理水平、自动化和智能化程度，减轻了实验室管理人员的工作负荷，把实验室管理人员从拿着钥匙开门，检查卫生等繁琐的劳动中解放出来，让实验室管理人员成为仪器设备使用的培训员和保障员，实验室安全的巡视员，解放了生产力[8]；同时，通过对电能的实时监控，最大限度地降低了实验室的耗电量；通过环境的智能感知与控制，为学生营造了一个良好的学习环境，提高了课堂效率。

此外，用于改造升级实验室的部分物联网装备，也可以兼作物联网专业或物联网学科的教学演示模型，还可以充当物联网应用实例的观摩体验间。另外，下一步还可以在此基础上，再增加RFID技术，让存在于实验室空间内的“死”物(指各种仪器设备)“活”起来，自主上网对话，自动汇报它们的所在位置、物理指标或运行状态，以供管理人员随时随地借助于互联网、利用PC机或智能手机等网络终端，查询和监管现有的权限内的各种实验设备。

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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

河北省科技计划项目(13214710)；河北省高等学校科学研究计划(Z2013142)；石家庄邮电职业技术学院 校级项目(XR201317)

吴蓬勃(1980-)，男，河北辛集人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统开发。

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

O 647

A

1006-7167(2015)03-0078-08