基于ZigBee智慧实验室系统的设计

高永清，商 丹

（1.华北科技学院 电子信息工程学院，河北 三河 065201；2.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024）

基于ZigBee智慧实验室系统的设计

高永清1，2，商 丹1

（1.华北科技学院 电子信息工程学院，河北 三河 065201；2.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024）

首先对目前国内外室内物联网应用的现状进行了调查，分析了室内物联网技术在实验室建设和管理应用中的实用性和可行性。提出了智慧实验室的概念和智慧实验室系统的整体框架，整个系统由实验室资产管理子系统、实验室视频监控子系统、实验室网关和上位机系统4个模块组成。分别介绍了系统各个模块的功能，并对整个系统进行了设计。最后对所设计的系统进行了性能测试，测试结果表明该系统实现了对实验室管理的科学化、现代化及信息化，提升了实验室管理的智能化水平，对“智能家居”和“智慧城市”的发展建设有重要的借鉴意义和参考价值。

无线传感器网络；智慧实验室；RFID；ZigBee

1 智慧实验室

物联网技术通过射频识别（Radio Frequency Identifica⁃tion，RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种新型网络技术。

人类社会进入21世纪后，物联网技术在国内的不断发展和成熟，出现了智能家居[1]、智能建筑[2]、智慧小区[3]、智慧城市[4]和智慧地球[5]的概念，与此同时，越来越多的商业公司、甚至政府部门都在该领域大力设计研发相应的产品。本文将智能家居的思想理论与结构模式引入到实验室建设与管理中来，提出了智慧实验室的概念。“智慧实验室”是指在一个实验室的范围内将多个物品采用计算机网络技术、通信技术以及图形显示技术等将其功能化、网络化和智能化，建立一个由实验室管理中心、信息通信服务以及实验室智能化系统组成的“三合一”智慧实验室集成系统。在智慧实验室系统中通过综合配置各个智能化子系统，为实验室管理部门提供高效、便捷的管理手段和方法。

所谓室内物联网系统[6]是指在物联网平台之上搭载各种室内设备，并在这些设备之上安装一个“智慧”的智能系统，这个智能系统将涉及传感器网络、智能安防、自动化控制、网络通信、数据存储与应用等诸多技术，使人们无论身处何方都能够随时掌握室内状况，并能实现与室内设备的交互操作。

2 设计思想

RFID射频识别[7-9]系统是一种简单的无线系统，通常由一个读写器（Reader）和若干个电子标签（Tag）组成，主要应用于控制、检测和跟踪目标对像。其中，电子标签是射频系统的数据载体，是射频识别系统的核心。读写器由天线、收发器和控制模块组成，是对电子标签进行读/写操作的电子装置。收发器和控制模块集成在一起，与CPU连接，负责读写器与CPU的通信。天线的主要作用是在产生、发射无线射频信号的同时接收电子标签反射的无线射频信号。

通过射频识别（RFID）的方法读取仪器设备内部电子标签的信息，然后通过UART串口将采集到的数据发送到CPU。CPU将接收到的数据进行处理，再通过CPU芯片上的ZigBee模块发送到上位机数据库。多个房间的ZigBee模块可以组成一个网络。上位机数据库根据收到的数据，实时更新设备的状态信息。在射频识别的同时，视频网关连接的摄像头通过绊线检测提供抓拍功能，并通过RS-485串口将图像信息传送到上位机数据库。系统基本构架如图1所示。

图1 系统基本构架框图

3 系统设计

智慧实验室系统由实验室资产管理子系统、实验室视频监控子系统、实验室网关和上位机系统4个模块组成。实验室资产管理子系统的主要功能有实验室重要资产登记、设备借还检测与记录、检测报警等。实验室视频监控子系统的主要功能有记录实验室每天的人员出入情况和实现远程视频监控，并在资产管理子系统出现错误记录或错失记录时辅助纠正实验室设备的出入记录。实验室网关主要完成信息接收、信息处理和信息发送的工作。这3个模块也可以统称为下位机系统。上位机系统在自己数据库中更新、存储接收到的信息，如有需要还要在系统界面上实时显示。因为实验室网关已接入Internet，上位机系统还可以远程登录，实现智慧实验室的远程管理。

3.1 实验室资产管理子系统

实验室资产管理子系统由若干电子标签、两个读写器以及一个微控制器构成。电子标签中存有仪器设备的标识信息，如仪器名称、实验室归属、仪器编码、权限代码等。两个读写器一个位于实验室门内称为门内读写器，另一个位于实验室门外称为门外读写器。两个读写器的作用就是在自己读卡范围内检测并上传带有电子标签的设备信息。两个读写器对同一设备电子标签的读取顺序决定了设备是进入实验室还是离开实验室，当门内读写器先读到电子标签、门外读写器后读到同一张标签，说明带有此标签的设备是离开实验室；反之，设备进入实验室。实验室设备分为可借出设备和不可借出设备，它们的分类由电子标签上的权限代码决定。当有人将实验室可借出设备借出或归还时，首先向管理员申请，征得管理员同意后方可将设备借出或归还实验室。当两个读写器读到实验室不可借出设备离开实验室时，微处理器除了记录此设备的出入，还要发出报警信号提醒现场人员此设备是不可借出设备，不能带出实验室。

通常情况下，电子标签由耦合元件和芯片组成。每个标签在芯片中存储能够标识目标对像的标识信息，因此，每个目标对象具有唯一的ID编码。电子标签根据有无供电方式，可以分为有源标签（Active Tag）和无源标签（Passive Tag），标签内部装有电池供电的称为有源标签，反之称为无源标签。因为无源电子标签成本远远低于有源电子标签的成本，并且有通用的协议标准。因此，本设计选用915 MHz的无源电子标签作为设备的存储载体。因为电子标签需要贴在仪器设备内部，仪器设备的金属外壳、电路板会对电子标签有巨大的影响，导致读卡器难以读到有效数据。因此，需要对电子标签内部采取防金属化处理。读写器的核心芯片则选用了RMU920，该芯片采用RFID专用模拟电路和先进DSP技术，集成了全部超高频RFID读写器功能和协议处理功能，输出频率范围覆盖国际和国内标准，提供双UART，可实现和CPU的串口通信。

微控制器的主要作用是实现对整个读卡装置的控制。微控制器的功能包括：1）向两个读写器发送读卡、休眠、停止等命令；2）接收上位机系统硬件查询的命令，如果硬件模块有损坏，需将结果上传给上位机系统；如果通信模块损坏或长时间不能正常通信时，本地报警；3）将读写器检测到的设备出入记录上传给上位机系统；4）当检测到有人携带实验室不可借出设备出门时，本地报警。本地报警是指位于实验室中下位机系统带有的报警模块发出的报警信号，比如资产管理子系统检测到有人带不可借出设备离开实验室，下位机系统上的报警模块则被触发报警。综合考虑智慧实验室资产管理子系统中产品开发用到的I/O接口、串口、定时器等因素，选用了STM32F101C8作为资产管理子系统的微控制器。此芯片集成了如下资源：64 kbyte Flash、8 kbyte RAM、1条CAN总线、37个可用GPIO（General Purpose Input Output）引脚、7个定时器、3个UART（Universal Asynchronous Receiv⁃er/Transmitter）串口、1个12 bit ADC（Analog to Digital Con⁃verter）、2个12 bit DAC（Digital to Analog Converter）、2个SPI（Serial Peripheral Interface）接口、2个I2C（Inter-Integrated Cir⁃cuit）接口。

3.2 视频监控子系统

实验室视频监控子系统[10]主要有两个功能，门口绊线检测和远程视频监控。绊线检测功能定义如下：当开启绊线检测后，软件程序在摄像机镜头中实验室门口附近划一条虚拟警戒线，每当有人越过虚拟警戒线时，摄像头开启画面抓拍功能，并将抓拍到的静态图像上传保存在上位机的服务器中。如果抓拍到的画面符合报警条件，如不在实验室开放时间有人进入实验室，上位机系统向下位机系统中的报警模块发出报警命令，报警模块报警，上位机系统自身带有的报警功能也会响起以引起管理人员的注意。因此，绊线检测功能又叫防侵入报警功能。实验室视频监控子系统还有一个辅助功能，即在资产管理子系统出现错误记录或错失记录时辅助纠正实验室设备的出入记录。

摄像头在平时除了监控实验室内部情况，将拍摄的视频画面上传到上位机的服务器存储外，还具有远程视频监控功能，管理员可以通过其他计算机或移动智能终端远程登录智慧实验室系统，观察由摄像头拍摄的实验室视频画面。为实现智慧实验室系统的远程登录，智慧实验室系统的上位机系统采用B/S架构编写程序，实验室管理员就可以通过IE浏览器输入智慧实验室系统服务器的IP地址或直接登录智慧实验室的客户端即可登录该系统。通过远程视频监控，管理员可以远程监视实验室的一切情况而不必亲自到达实验室，真正实现实验室的无人值守。

实验室视频监控子系统采用一体化球型智能高清高速网络监控摄像机，具有智能化、网络化、高清化和高集成度的特点。球型监控摄像机所拍摄视频画面的像素分辨率能够达到1 920×1 080，云台水平和垂直方向的最快运动速度可以达到360度/秒。球型监控摄像机所拍摄的视频采用H.264视频压缩编码，可以支持完整的TCP/IP协议族，视频数据流和控制命令经过压缩编码后通过网络设备输入和输出。球型监控摄像机的镜头光学变焦倍数最大可以达到18倍，能够支持自动对焦，还可以根据光线明亮变化自主改变成像参数从而保证画面质量。

实验室视频监控子系统采用了Windows Socket技术进行程序编程工作。在顺利实现网络通信又要较少涉及Socket内部机制的前提下，可以采用WinSock的API函数。实验室视频监控子系统的主监控程序实现对实验室视频监控工作，在视频监控的同时还需要重新开发一个线程来完成录像工作。实验室监控子系统录制的视频信息需要从球形摄像机经过通信网络传回计算机硬盘保存。

3.3 实验室网关

在智慧实验室系统中，实验室网关将ZigBee通信模块、以太网通信模块、视频处理模块及存储模块集成在一块电路板上，如图2所示。实验室网关有两种通信方式，第一种是资产管理子系统的ZigBee组网内部通信，第二种是视频监控子系统接入以太网的外部通信。实验室网关在智慧实验室系统中除了通信功能外，还有两个重要功能：第一个功能就是对视频监控子系统上传的图像和视频进行图像处理，比如将视频进行模/数转换、尺寸裁剪以及曝光度调整等；第二个功能就是存储系统启动时的应用程序及数据。

图2 实验室网关基本构架框图

1）实验室网关模块中的核心处理器芯片选用德州仪器公司发布的一款基于达芬奇（DaVinci）技术的系统级芯片TMS320DM365。该芯片集成了ARM子系统，视频处理子系统（Video Processing Subsystem，VPSS），视频影像协处理器模块（Video Co-Processor Module，VICPM），以及若干接口、外设控制器等资源。

2）基于通信距离和成本考虑，在资产管理子系统中选择凌阳GPM8F3132A和ZigBee芯片US2400组成资产管理子系统无线通信系统的协调器模块，负责通信数据的收发工作。其中，与资产管理子系统的微控制器模块连接的协调器称为主协调器，与实验室网关连接的协调器称为从协调器，两个协调器上的ZigBee模块通过自组网方式进行通信。

3）要实现智慧实验室的远程监控功能，还需要将整个系统接入以太网，在实验室网关中有专门的模块负责将视频监控子系统接入以太网。实验室网关上的网络模块使用KS8001L芯片，网络模块接口上带有（10/100）Mbit/s自适应网络接口，通过该接口与上位机系统所在服务器的网络连接，实现了智慧实验室系统的入网连接。

4）实验室网关带有视频处理模块，模块核心芯片是TVP5158。TVP5158是由TI公司发布的一款多路视频AD芯片。TVP5158内部含有一个4通道、高品质NTSC/PAL视频解码器，它使用数字编码所有基带模拟视频格式，使模拟视频信号变化为数字视频信号输出。经过图像处理后的数字视频信号就可以上传至上位机系统的显示界面，并保存在上位机的服务器中。

5）在实验室网关中，不仅带有SD卡接口与USB接口，通过这两个接口可以扩展存储模块，保存智慧实验室系统在工作过程中产生的数据信息，还拥有DDR2和NAND Flash存储模块，存储系统运行所需要的数据和应用程序。

3.4 ZigBee网络建立流程

实验室网关启动时，其IEEE802.15.4的协议栈对PHY层和MAC层进行初始化，完成后为网络选定一个个人局域网（Personal Area Network，PAN）ID作为网络的标识，PAN ID可以被人为地预定义，在侦听其他网络的ID没有冲突后，就把此ID选为自己的网络ID。每次启动后实验室网关再通过对各RF通道的能量扫描来确定一个自己网络的RF通道。

资产管理子系统在加入网络前需要进行频道扫描，将在特定的频率通道中发送信标请求。当网关检测到信标请求后，网关将回应相应的信标来向资产管理子系统标识自己。资产管理子系统找到网关之后就将判断此网关的PAN ID是否为自己所属实验室的PAN ID。如果是，则发出加入网络的申请。网关设有入网密码验证，当资产管理子系统申请入网时必须通过密码验证方可得到批准入网，这样可以保证各资产管理子系统加入的是所属实验室的网络，而非附近用户的网络。因此，资产管理子系统的申请信息中必须包含入网密码，通过密码验证后网关将考虑是否具有足够的资源接受新的资产管理子系统，否则拒绝资产管理子系统入网，且在一段时间内不会处理来自此资产管理子系统的入网申请。如果网关接受了此资产管理子系统，它将发送一个16位的短地址给资产管理子系统，作为资产管理子系统在网络中的标识，并把此资产管理子系统信息和地址加入邻居表。ZigBee网络建立流程[11]如图3所示。

图3 ZigBee网络建立流程图

3.5 上位机系统

智慧实验室的上位机系统开发工作在微软公司推出的开发软件Visual Studio 2010完成。Visual Studio 2010集成了NET Framework 4.0和Microsoft Visual Studio 2010 CTP（Com⁃munity Technology Preview，CTP）等组件，能够支持开发面向Windows 7的应用程序。Visual Studio 2010不仅能够支持Microsoft SQL Server数据库，而且还能支持IBM DB2和Ora⁃cle数据库。上位机系统采用B/S结构编程，智慧实验室系统支持在其他的计算机或移动智能终端上远程登录。

上位机系统除了与下位机系统进行正常通信外，还包含以下几个功能：

1）接收资产子系统上传的设备出入记录，实时更新实验室设备借还记录；

2）接收资产子系统上传的设备出入报警信息，发出报警命令；

3）接收视频监控子系统拍摄的图片和视频信息并存储，若符合报警条件发出报警命令；

4）定时向下位机发出硬件查询的命令，根据收到硬件检查的反馈信息决定是否发出报警信息；

5）支持服务器系统远程登录。

4 系统功能测试

智慧实验室系统的设计是一个完整系统工程，因此在完成系统硬件设计和软件开发后还需要进行全面的测试以证明它的可行性和实用性。智慧实验室系统中实验室网关起连接作用，网关正常与否通过系统是否正常工作就可以一目了然，不用再额外测试。因此，主要对资产管理子系统和视频监控子系统进行功能测试。

对资产管理子系统的测试内容有射频卡在不同物体中的最大读卡距离、在最大读卡距离的1/2处的读卡成功率、读卡后无线通信的成功率以及读写器连续工作一月后对读卡距离的影响。测试结果统计如表1所示。

表1 资产管理子系统测试统计表

通过测试可以看到，由于实验箱体对射频卡的影响减小了读卡装置对射频卡的读卡距离和读卡成功率，但8 m的读卡距离以及95%的读卡成功率仍具有可行性和实用性。读卡装置的输出功率为21 dBm时，长时间连续工作基本不会影响读卡装置的正常操作，但将输出功率调至最大30 dBm时，会严重影响读卡效果，在连续工作超过15天后读卡装置因为产生大量热量，将影响读卡性能。

对视频监控子系统的测试内容主要是通过上位机系统发送控制命令对摄像头进行控制测试，以获取摄像头在不同角度、不同距离对同一位置的视频监控画面。经过测试，视频监控子系统能够达到预先期望的效果，完全可以投入使用。

5 结束语

本文将智能家居的思想理论与结构模式引入到实验室建设与管理中来，提出了智慧实验室的概念，构建了智慧实验室系统的基本框架，并对系统进行了整体的设计，最后又对系统进行了性能测试。结果表明，所设计的智慧实验室系统实现了实验室仪器设备智能化管理的基本功能，为实验室管理部门提供了高效、便捷的管理手段和方法，具有很好的应用推广价值。

[1]许子悦.物联网智能家居浅析[J].信息通信，2013，125（3）：99.

[2]宋慧，陈俊桦，陈晓.浅谈物联网技术在智能建筑中的应用[J].智能建筑与城市信息，2012，183（2）：19-23.

[3]杨小进.物联网智慧小区建设研究[D].南京：南京邮电大学，2012.

[4]史璐.智慧城市的原理及其在我国城市发展中的功能和意义[J].中国科技论坛，2011（5）：97-102.

[5] 武岳山.“智慧地球”概念的内涵浅析[J].物联网技术，2011（6）：1-2.

[6] 樊青松.室内监控物联网感知系统的研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[7] 方颖松.RFID技术在库存管理中的应用[D].上海：复旦大学，2008.

[8] 徐涛.RFID技术在库存管理中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[9]刘洋.基于RFID电子封条系统设计与实现[D].合肥：安徽大学，2012.

[10]贾芳.基于B/S结构的远程监控系统的设计与实现[D].济南：山东大学，2007.

[11] 高永清，周春来，商丹.基于ZigBee的家居智能用电网关设计[EB/OL].[2014-06-17].http://www.doc88.com/p-1788086409630.html.

Design of Smart Laboratory System Based on ZigBee

GAO Yongqing1，2，SHANG Dan1
（1.School of Electronic and Information Engineering，North China Institute of Science and Technology，Hebei Sanhe 065201，China；2.Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China）

Firstly，the current applications of IOT（internet of things）in home and abroad are investigated，and the practicability and feasibility of indoor IOT technology application in laboratory construction and management are analyzed in this paper.Then the concept of smart laboratory and its whole frame are put forward，the whole system consists of laboratory asset management subsystem，laboratory video monitoring subsystem，laboratory gateway and the host computer subsystem.The functions of each module of the system are introduced，and the whole system has been designed.Finally，the system performance was tested，the test results show that the designed system realized scientific，modern and information of laboratory management，enhanced the intelligent level of the laboratory management，has the important significance and reference value to"Smart Home"and"Smart City"development and construction.

wireless sensor network；smart laboratory；RFID；ZigBee

TN919.5

B

10.16280/j.videoe.2015.08.005

高永清（1974—），博士，副教授，主要研究方向为传感器网络技术和通信技术；

2014-07-17

【本文献信息】高永清，商丹.基于ZigBee智慧实验室系统的设计[J].电视技术，2015，39（8）.

中央高校基本科研业务费资助项目（3142014070）

商 丹（1974—），女，硕士，副教授，主要研究方向为传感器网络技术。

责任编辑：时 雯