基于ZigBee物联网的智能计算机实验室管理系统

焦阳　王聘　李守宏*

1辽宁广播电视大学（沈阳　110034）2朝阳广播电视大学（朝阳　122000）

基于ZigBee物联网的智能计算机实验室管理系统

焦阳1王聘2李守宏1*

1辽宁广播电视大学（沈阳110034）2朝阳广播电视大学（朝阳122000）

随着高校信息化发展，智能计算机实验室的应用日益重要。针对目前计算机实验室管理效率低、信息化程度低等问题，提出了一种基于ZigBее无线传感器、嵌入式系统和Intеrnеt等物联网技术的计算机实验室管理系统。该系统利用单片机和ZigBее无线传感器设计感知层节点，利用ASP.nеt和SQL数据库搭建服务层软件。该系统结构分明，数据采集精度高，实时性良好，远程监控稳定。本系统的设计和实现为网络化测控智能实验室的研究提出了一种先进的解决方案。

物联网；ZigBее；实验室管理系统

计算机实验室的建设和管理是高校信息化发展的重要环节，计算机实验室承担着学生计算机实践教学的重要责任，是检验学生动手能力的重要场所。因此，高校计算机实验室的建设和管理是多个高校的工作之重。然而由于高校计算机实验室的差异性与繁琐性，加之人工管理模式的局限性，高校计算机实验室的使用往往存在较多的故障，难以满足不断增长的学生需求。对此，本文基于物联网的智能应用，提出了一种新型的计算机实验室管理模式。

物联网技术是互联网技术发展到一定阶段的产物，主要有感知层、网络层和应用层组成。感知层的用户端可通过传感器技术延伸至任何物品之间，实现物体识别和信息采集；网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成。负责传递和处理感知层获取的信息；应用层即为物联网与用户的接口，最终实现智能化识别、定位、跟踪、控制等功能［1］。

提出的基于智能物联网的计算机实验室管理系统分别从物联网的三层结构与计算机实验室管理系统融合开发，充分利用物联网技术的信息化特性，集成了多个传感器技术设计计算机实验室检测传感器节点，基于.nеt框架开发了计算机实验室信息监控软件。该系统的提出与设计有效加快了高校计算机实验室管理系统的信息化与智能化。

1　管理系统框架设计

传统的人工管理模式存在多种局限。首先，计算机实验室可监控参数匮乏。计算机实验室使用过程中需要一系列的安全条件监控，例如水、电、可燃气体以及动力电源等。传统人工模式往往无法实现多参数准确检测，不能保证24小时的不间断检测。其次，计算机实验室设备管理软件不完善，缺乏相应的实验室设备管理软件或实验室设备管理软件难以涵盖实验室管理和维护的各个方面，如资产管理，维护管理和租借管理。再次，人工管理模式管理对象往往局限于固定资产设备，不能有效进行实验室使用人员（包括学生，老师及其他人）和使用问题的管理。最后，人工管理模式中，资源信息共享机制薄弱。计算机实验室的管理往往只针对单个学科的实验室管理，跨学科交叉和技术交流很难进行。同时，计算机实验室空闲利用率较低［2-3］。

针对人工管理模式的种种不足，计算机实验室管理系统框架设计方案如图1所示，该系统基于物联网的三层结构框架，感知层利用ZigBее的WSN技术，加载多种传感器实现计算机实验室各设备的实时信息与状态，该状态信息可通过ZigBее无线网络汇总至ZigBее网关，实现与网络层的交互；网络层中包含一台数据库服务器和WEB站点服务器，其中数据库服务器实现感知层数据存储，WEB站点服务器通过访问数据库服务器获取数据信息，并可将以上信息发布至局域网或校园网上；应用层主要针对各个使用人员，用户可使用搭载WEB浏览器的终端设备进行实验室管理系统的管理和控制。

ZigBее网络由协调器、路由节点和终端节点三种组成，可构成星型、树型和网状型拓扑结构。根据应用场所的不同，应合理选择网络平台。在计算机实验室环境下，由于区域较小，采用星星网络。该网络拓扑结构中，路由节点、终端节点可直接与协调器进行通信，该拓扑结构控制、同步简单，同时可保证数据传输速度。

图1　管理系统结构框图

在本系统，设计节点IEEE地址与实验室设备一一对应，即可根据各节点状态信息进行各设备状态的准确确认。

ZigBее协议栈选择zstack2006，采用AODV路由协议。该协议栈采用OSAL操作系统，可分为物理层、介质接入控制子层、网络层、应用层等。用户可在应用层进行自定义任务添加，在工作周期内进行任务循环。本系统中，可使用应用层进行各传感器读取，提取当前节点状态信息［4］。

2　管理系统流程分析及实施方案

传统人工检测模式下，当增加计算机实验室某方面管理系统时，往往会带来大量的软硬件设备和机房的管理工作，同时多种管理系统往往不能相互兼容。基于ZigBее物联网的智能计算机实验室系统旨在整合计算机实验室纷繁复杂的设备信息、智能感知外界信息、实时检测计算机实验室状态信息。针对以上目标，系统分层设计如图2所示。

图2　管理系统流程图

感知层节点主要有检测控制器和ZigBее节点组成，其中检测控制器挂载温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、电压/电流霍尔传感器、继电器等多种传感和控制模块，用于计算机实验室多种参数的检测和报警状态的控制动作。ZigBее节点通过UART方式与检测控制控制器数据，获取多种信息。ZigBее节点可自动组网，并基于该网络远程将感知层节点信息传输至协调器。

网关以485通信方式获取协调器信息，并可通过网络上传至服务器。

服务器层通过网络与网关连接，基于TCP/IP协议接收网关传输的数据信息。服务器层设计基于ASP.nеt，ADO技术访问SQL SEVER数据库，可完成计算机实验室信息存储、分析、报警与控制、人员管理、设备管理等功能。

2.1感知层设计

感知层节点设计框架图如图3所示。

图3　感知层节点框架图

感知层节点包括检测控制器和ZigBее节点。检测控制器基于C8051f120单片机设计，c8051f120单片机是完全51内核的单片机，包含丰富的片内外设，如AD转换芯片，双uart串行端口，温度传感器，SPI通信接口等。ZigBее节点主控芯片选择CC2430芯片，该芯片为增强型的51内核，符合802.15.4标准的射频装置，最大通信距离可达1.6KM。

检测控制器的检测与控制参数主要有以下4种：（1）电源参数，涉及计算机实验室各相电压、电流等；（2）环境参数，如温度、湿度、灯光、烟气等；（3）门禁参数，主要功能为人员检测以及来访登记等；（4）控制参数，当产生报警状态时可进行断电、报警等动作。针对以上监控参数，检测控制器分别设计了电源检测模块、温湿度检测模块、火焰烟气检测模块、门禁系统控制模块以及多继电器组。

ZigBее节点主要负责信息的接收和发送。在本系统所设计的zigbее节点中，用户仅需要添加串口响应函数和无线数据响应函数即可完成检测控制节点的数据传输和服务层软件的命令接收。

检测控制节点检测传感器和ZigBее协调器输出网络结构关键代码如下：

2.2服务层软件设计

服务层软件基于ASP.NET平台，采用三层架构，即数据操作层、业务层、用户应用程序。服务层软件件通过TCP/IP与网关互联，通过SQL SEVER数据库完成用户角色管理、计算机实验室状态信息存储与回调、计算机实验室设备日志记录等，服务层软件还可完成网络布局实时显示、实验室状态分析和报警等功能。

2.2.1用户角色管理

服务层软件定义多种操作角色：普通用户、高级用户、超级用户，可实现对多用户的数据管理和操作。该模块可实现不同用户的登录，注册等。

2.2.2计算机实验室状态读取

服务层软件通过串口与协调器连接，服务层软件可实现特定设备的状态读取，各设备状态循环显示，并可自主进行各设备采集精度，采集速度等参数。已采集到的数据自动存入数据库中，以备后续使用。

2.2.3计算机实验室日志记录

服务层软件可记录计算机实验室的使用日志。高级用户和超级用户都可通过该功能完成计算机实验室设备转移记录、计算机实验室使用记录等功能。

2.2.4计算机实验室状态数据分析与报警

服务层软件可进行计算机实验室状态数据的分析、判断和报警。超级用户可自主设定各报警限位，当状态到达报警限位，服务层软件发送控制命令智能控制各感知层节点。

为保证计算机实验室状态数据的准确读取，服务层软件使用置信区间算法滤除状态数据中的粗大误差。服务层软件置信区间算法具体如下：

假设采样数据X（x1，x2……，xn-1，xn）共n条数据，置信概率P，显著水平α=1-P

则采样数据均值为：

采样数据方差S2为：

构建随机变量Z符合正太分布N（0，1），

进而可得随机区间

为采样数据X置信度为P的置信区间。

利用置信区间算法可有效避免计算机实验室状态数据采样过程中出现的粗大误差，当采样数据不在该置信区间范围时，系统默认该值为错误值并自动忽略。利用以上算法，系统可进一步提高采集精度，为后续的数据分析提供有利的数据基础。

3　实验结果对比与分析

以基于ZigBее的物联网技术为基础设计的智能实验室管理系统，实现了计算机实验室多种参数的检测与控制、人员信息管理和简单控制系统。本课题完成了检测控制节点设计、ZigBее物联网组建、服务器系统设计与远程控制的功能并进行了相关的简单测试，测试结果表示检测控制节点数据采集准确、控制有效，ZigBее网络传输精度高、时延短、冗余度低等特性，服务器网页设计合理、数据分析准确。然而本系统所涉及的ZigBее网络仅仅是ZigBее网络的简单应用，在组网以及路由算法等方面的研究不够，网络强壮性仍需改进。但实际应用表明，基于ZigBее物联网的智能计算机实验室管理系统可大量减少底层工作，是一种先进的计算机实验室网络化测控方案。

［1］王保云.物联网技术研究综述［J］.电子测量与仪器学报，2009，（12）.

［2］滕胜荣，孟庆繁.高校教学实验室管理［M］.北京：科学出版社，2008.

［3］吕波，邱剑均，刘婧玉.如何加强高校仪器设备管理［J］.医学信息，2011，24（4）.

［4］李文仲，段朝玉.ZigBее2007技术实践教程［M］.北京：北京航空航天高校出版社，2009.

（责任编辑：文婷）

TP393.4

A

1003-3319（2016）03-00025-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0025

辽宁省现代远程教育学会2015年应用性专项研究“智能物联网技术应用研究”（2015YYYJ-6）