基于物联网技术的实验设备管理系统设计

罗家兵

（广州大学华软软件学院计算机系，广州 510990）

基于物联网技术的实验设备管理系统设计

罗家兵

（广州大学华软软件学院计算机系，广州 510990）

0　引言

为了提高实验场地的利用率，有很多高校一个实验室往往具有多种用途，有可能既是微机原理实验室，又可能是计算机组成原理实验室，当学生做微机原理实验的时候，由实验员把微机原理实验箱从柜子里面摆放到实验台上，做完实验后又得把实验箱放回柜子，每次实验都重复同样的工作，一来实验员工作量巨大，二来无法跟踪实验箱的使用情况；三来容易出错。

针对以上不足，本系统设计的重点在于采用物联网技术实现对存放实验箱的实验箱抽屉的智能化：

（1）当学生在实验室登录到本系统经过验证授权后对应的实验箱抽屉子门自动打开；

（2）实验箱抽屉子能够自动检测实验箱是否存在；

（3）实验箱抽屉子能够自动报告自己的状态：门的开关、实验箱是否存在；

（4）系统能够自动跟踪实验箱使用情况：谁什么时候取走实验箱，什么时候放回实验箱子。

1　实验设备管理系统相关技术概要

物联网在国际上又称为传感网，这是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯片，把它变得智能化，这个物体就可以“自动开口说话”。再借助无线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，这就是物联网。一个典型的物联网系统体系结构如下：

感知层主要利用传感技术、自动识别技术实现对所关注物体信息的采集，同时还可以接收上层的命令让物体执行特定的动作；网络层主要借助于短距离、长距离通信实现信息在各节点间的传输；应用层是对感知层所收集的信息具体应用，如监测、分析等。

2　实验设备管理系统需求分析

本系统所要实现的主要目标实现对实验室实验箱的自动化管理：能够自动记录授权用户在什么时候使用了实验箱、归还了实验箱。授权分为两种情况，具体见表：

表1　系统授权

当使用者通过两种授权方式之一获取使用权限之后，在实验桌电脑上系统客户端登录成功后实验箱抽屉门自动打开，然后使用者从实验箱抽屉中取出实验箱放到桌面上；使用者使用完毕后把实验箱放回实验箱抽屉并关上实验箱抽屉门。在一次连续的授权时段内，使用者每次成功登录都可以把实验箱抽屉门打开和关闭，在超出该时间段后将不能再打开实验箱抽屉。

整个系统还需要给实验管理人员提供实时查看每个实验箱的使用状态：实验箱已从实验箱抽屉拿走或者放在实验箱抽屉中；实验管理员对每个实验箱的历史使用状况进行查看：谁在何时使用了实验箱。

系统的用例图如图2所示。

图1　物联网体系结构

图2　系统用例图

3　实验设备管理系统总体方案

整个系统由终端：智能实验箱抽屉、协调器、传感网络网关、数据中心、上层应用五部分组成。多个智能实验箱抽屉构成一个无线传感网络，本系统采用Zig-Bee作为无线组网协议，其中，实验箱抽屉能够自动检测实验箱存在状态、实验箱抽屉柜门的开关状态，并通过ZigBee无线传感网络传输这些状态；网关主要完成互联网和无线传感网络数据传输的协议转换，把数据上传到数据中心；数据中心的数据在应用端可以表现出来，整个系统框架如图3所示

4　实验设备管理系统硬件设计

系统硬件设计主要包括感知层硬件设计和网络层硬件设计两部分。

4.1系统感知层硬件设计

感知层主要功能是完成终端信息的采集、控制。本系统采用HY-SRF05超声波探头来检测实验箱的存在状态。该模块可提供2-450cm的非接触式距离检测功能，测距精度可达3mm；包括超声波发射器、接收器、控制电路。

图3　系统总体框架

图4　SRF05模块

该模块引脚定义如下：

vcc供5v电源；

GND为地线；

GRIG触发控制，信号输出；

ECHO回想信号输出；

OUT开关量输出。

超声波探头安装在实验抽屉的顶部，当检测到距离小于一定范围时判断实验箱存在，反之则不存在。

系统使用门磁传感器来检测实验抽屉的开关状态。门磁传感器主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接、定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内，当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体门磁开关位置的变化。门磁传感器安装在实验抽屉柜的的上边缘。

系统使用磁力锁用来控制实验抽屉柜门的开关。磁力锁采用直流12V-240MA供电，直线拉力60公斤，通电上锁，断电开锁。

超声波传感器、门磁传感器、磁力锁通过线路和cc2530 ZigBee节点相连，ZigBee节点固定在实验抽屉柜门的上边。

4.2系统网络层硬件设计

网络层的主要功能是完成终端节点之间、终端节点和人之间的信息传输。本系统的的网络层主要由无线传感网、网关、互联网三部分组成，传感器网络通过网关接入互联网。

终端节点、路由节点、协调器均以cc2530为核心构成一个ZigBee网状网。终端节点一方面负责门磁传传感器、超声波传感器数据的采集和电磁锁的控制，另一方面负责把从传感器所采集的数据通过ZigBee协议经路由节点汇聚到协调器。

网关的主要功能是通过串口接收协调器传输过来的传感网络数据，然后通过TCP/IP协议发送到远程的数据库。本系统的网关以s5pv210构建，运行嵌入式Linux操作系统。

5　实验设备管理系统软件设计

本系统的软件设计主要由四部分组成：传感层软件设计、网络层软件设计、应用层软件设计。

5.1传感层软件设计

传感层主要采用TI公司的ZigBee协议栈zstack 2007。

传感层软件主要包括终端节点软件和协调器软件，采用TI-Zstack 2007为ZigBee协议栈。终端节点上的zstack配置为end_device，在协议栈中实现超声波传感器、门磁传感器数据的采集以及电磁锁控制相关的代码。传感层协议栈总体结构如图4所示。

图4　传感层软件总体结构图

5.2网络层软件设计

网络层的功能主要是完成信息的传输，主要包括协调器软件的设计和网关软件的设计，协调器软件除了构建网络、维护网络外，还负责各终端节点数据的收集并转发到网关；网关软件主要负责把从协调器收集来的数据通过TCP/IP协议发送到数据中心。该层总体结构如图5所示。

图5　网络层软件总体结构图

5.3应用层软件设计

本层软件设计主要包括数据库的设计和人机交互界面的设计。数据库采用用MySQL，主要设计如图6所示。

人机交互界面分为学生端和实验室管理员端。学生端主要让学生输入学号、密码登陆系统，系统判断其在该时间段被授权使用实验箱，在实验箱抽屉门就会接收到系统发来的打开柜门指令；实验室管理员端主要完成学生信息的注册和授权管理。

图6　系统数据库设计

6　结语

本文从实验设备管系统系统的需求出发，利用物联网技术分别就系统的感知层、网络层、应用层各层的功能进行分析，然后进行软硬件设计。依据该设计，目前已经实现了系统的大部分软硬件模块并通过了测试。本系统设计对于高校实验室的管理将具有非常好的实际意义。

［1］饶绪黎.基于物联网技术的实验设备运行监控管理系统设计［J］.山东大学学报（理学版），2012，11.

［2］王小强，欧阳俊，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现［M］．北京：化学工业出版社，2014.

［3］李文仲，段朝玉等.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［4］王浩.开放性计算机实验室教学管理系统设计与实现［D］.华南理工大学，2013.

［5］侯振云，肖进.MySQL5数据库入门与提高［M］.北京：清华大学出版社，2015.

IOT；Laboratory Equipment；Automation Management

Laboratory Equipment Management System Based on IOT

LUO Jia-bing

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

1007-1423（2015）34-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.017

2015-11-10

2015-11-25

目前实际应用的实验设备管理系统主要侧重于实验室设备数量的管理，而对谁在什么时候使用了实验设备基本上靠人工记录或人工录入数据管理，这样对实验室的管理造成了很大的麻烦甚至容易出现问题。针先对该问题进行了需求分析，然后利用物联网技术分别从感知层、网络层、应用层进行软硬件设计，依据该设计的实现将可以对实验室设备使用情况的进行自动化管理。

物联网；实验设备；自动化管理

罗家兵，男，讲师，硕士研究生，研究方向为嵌入式软件开发和物联网应用技术

At present，the actual application of the laboratory equipment management system is mainly focused on the number of laboratory equipment management，and who uses the laboratory experimental equipment and when the laboratory experimental equipment is used are basically manual or manual input data management，so that the management of the laboratory caused a lot of trouble and even problems. Analyses the problem，designs the software and hardware by using IOT.According to the design，the implementation will be able to manage the laboratory equipment automatically.