基于ZigBee实验室智能管理系统的研究与设计

蔡丽萍,李汪彪,陈鸿光,林 立

(福建师范大学 a.软件学院 软件工程省级实验教学示范中心，b.光电与信息工程学院，福州 350108)

基于ZigBee实验室智能管理系统的研究与设计

蔡丽萍a,李汪彪b,陈鸿光a,林 立a

(福建师范大学 a.软件学院 软件工程省级实验教学示范中心，b.光电与信息工程学院，福州 350108)

针对传统计算机实验室人工管理模式存在的诸多弊端，研究设计了基于ZigBee的实验室智能管理系统。通过温湿度、光照度和烟雾等传感器实现对实验室内环境参数的实时监测，结合智能集控中心软件及Android手机APP软件，实现对多楼群实验室门禁系统、多媒体设备、照明系统及计算机供电系统等的远程集中控制。实践证明，该系统能够实现实验室的智能化管理，提高实验室的管理水平，减轻实验员的工作负担。

ZigBee； 实验室； 智能管理； 集中控制； Android

0 引 言

实践教学是高等教育的重要环节，计算机实验室作为高校实践教学的重要场所，承担着培养学生实践能力、创新能力的重任，然而，随着实验室资金的投入不断加大，相应的仪器设备数量和种类也不断增多，管理难度加大。

传统的计算机实验室多采用人工管理的模式，人工开关实验室、手动控制用电设备和多媒体系统，不仅费时费力而且效率十分低下。中心曾经做过统计，实验员每日花在日常开关实验室(含计算机和多媒体设备等)的时间大约是2.5 h，繁杂而又枯燥的实验室管理工作也是导致实验技术人员流失的重要原因之一。因此，如何运用信息化手段科学、高效管理好实验室和仪器设备，减轻实验人员的工作负荷，成为实验室管理者必须面对的一个问题[1-2]。

近年来，也有部分高校自行开发设计了一些集中控制系统，如浙江工业大学设计了实验设备用电集中控制系统[3]，宁波大学开发了基于电源控制的实验室集成管理系统[4]，南京林业大学研究设计了能够根据实验人数智能控制实验桌电源通断的系统等[5]。这些系统都在一定程度上提高了实验室的管理效率，但它们主要侧重对实验室用电系统的控制，缺少对实验室其他电气设备的智能化控制，功能比较单一。

在吸收、借鉴同行成果经验的基础上，结合我院实验室的实际情况，本文研究设计了一款基于ZigBee的实验室智能监测和集中控制系统，能够实现多栋实验楼实验室环境的智能监测和电气设备的集中控制，大大简化实验人员的日常管理工作，提高实验中心的信息化管理水平。

1 系统组成与作用

基于ZigBee的实验室智能管理系统网络拓扑图见图1，系统分为4部分:①客户端。可以根据各自的权限通过数据通信接口向控制器发送控制命令，分为学生客户端和管理员客户端两种，学生客户端可以查看相应的实验室课表和实验室开放情况等；管理员客户端的权限比较高，可以借助PC机或装有APP的移动终端随时查看、更改和控制实验室的设备信息，从而实现对实验室的智能控制。②服务器端。通过通信模块与嵌入式集控中心进行数据同步，同时向嵌入式集控中心传递来自客户端的控制指令。此外，服务器端还可以用来进行历史数据的存储及控制指令的转存。③实验室集控终端。根据从服务器端接收到的来自客户端的控制指令执行相应的操作，如实验室房门的开关，调节日光灯的亮灭等，同时将数据返回至服务器端。④受控对象。包括实验室现有的一些设备，如网络摄像头、门禁控制器、日光灯、空调、计算机供电系统等，以及新增加的温湿度传感器、烟雾传感器、红外传感器等。在系统设计中，把受控对象划分为实验室集中控制对象和环境监测对象。

图1 智能管理系统网络拓扑图

智能终端的功能包括智能环境监测和集中控制两部分。①智能环境监测。在实验室内部署温湿度传感器、红外传感器等，实时监测实验室的温度、湿度、实验室的开启状况、日光灯的亮灭情况等。实验管理人员可以通过PC机实时查看实验室环境参数，同时也可借助手机APP对实验室情况进行随时随地查询。②集中控制。将实验室内的各个传感器经过单片机处理得到的数据，通过无线模块发送给实验室集控终端进行汇总，再经以太网发送到服务器端进行数据存储、判断和处理，客户端通过服务器可以实现信息的监控、查询、修改，也可以发送相关命令给实验室集控终端进行处理，从而实现远程集中控制的目的。管理员只需在PC终端便可调控实验室相关设备，如远程开门、定时开门、远程开启多媒体设备和中央空调等；结合实验中心总监控画面，对下课后未能及时关闭的多媒体设备、空调、照明系统、计算机供电系统等进行远程关闭，实现实验室的高效管理和节能减排。

2 系统硬件设计

2.1智能集控系统框架

实验室智能集控系统框架如图2所示。网络转换器完成现场ZigBee网络和以太网网络转换，前端采集控制器归纳为模拟型采集器、数字型输入/输出模块和协议转换器等。其中模拟型采集器主要完成市电电压、电流、用电功率和环境温湿度的采集，数字型输入模块主要为烟雾和防盗检测模块，数字型输出模块包括继电器等输出控制装置，协议转换器完成中央空调、多媒体中控和UPS等各种智能设备控制的协议转换[6]。

图2 实验室智能集控系统框图

2.2网络转换器设计

NXP的LPC2368单片机是一款基于ARM7处理器内核的 32 位高性能低功耗单片机。此系列单片机具有多种外设，如WDT、ADC、I2C、UART、SPI、PWM、USB和以太网等，支持10/100Ethernet、全速USB2.0和CAN2.0B，功能强大且效率高[7]。本系统使用LPC2368的以太网与UART实现底端ZigBee设备与PC服务器端的中继转换器，如图3所示。

图3 网络转换器设计电路

2.3基于ZigBee网络的智能集控系统设计

ZigBee网络的智能集控系统采用TI公司的CC2530芯片设计，CC2530 是支持ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530 集成了性能优良的RF收发器，增强型8051CPU，片内32～256 KB Flash，8 KB RAM 和AD转换器[7-8]。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

基于CC2530的ZigBee最小系统如图4所示，二极管D1实现输入电源极性保护功能，采用低功耗的LDO芯片HT7533实现3.3 V的稳压，给CC2530提供稳定的供电电压，CC2530的外围电路参考TI公司官方给出的参考电路设计[8]，LED指示灯D2～D7实现系统状态的指示。ZigBee无线信号经转换成数字信号后，被传送至CC2530解析成逻辑命令以完成相应的指令。

(1) ZigBee网络协调器设计。网络协调器是整个ZigBee网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等[8]。协调器通过UART接口和网络转换器实现连接，硬件电路上相对比较简单，电路采用图4的CC2530的最小系统，通过J1接口和网络转换器连接。

(2) 交流电量采集器。交流电量采集器实现市电供电电压、设备用电电流和用电功率等参数的采集，该模块基于CRYSTAL公司CS5460A单相电表芯片设计，通过电压变送器PT10B和电流变送器CT103X实现交流电压和电流的采集[9]，电路如图5所示。

(3) 红外遥控输出和继电器输出模块。红外遥控输出和继电器输出模块的电路如图6所示，红外遥控输出实现实验室内空调和投影仪的开关控制，红外发射管的安装位置需充分考虑实验室内部所有红外遥控设备的可接收范围。继电器输出则通过触点与用电设备的吸合与释放，来实现对各实验室的照明控制、门禁控制和计算机的电源控制[10-13]。由于继电器的供电电流比较大，该模块的供电采用AC-DC输出DC12V提供。

通过与网络视频监控系统的结合，还可以实现对开放实验室无人值守化管理，当视频监测画面检测到实验室无人的情况下，可自动关闭照明系统和电源供电系统。

(4) 传感器模块。传感器模块电路如图7所示，包括温湿度传感器DHT11，光照度传感器ISL29001，烟雾传感器和热释红外传感器，采用现成的开关量输出传感器，通过PC817光耦接入到CC2530的IO口以提高系统的可靠性[14]。

图4 基于CC2530的ZigBee最小系统原理图

图5 交流电量采集器原理图

(5) 智能设备协议转换器。实验室中的带通信接口的智能设备主要有投影仪和讲台中控系统，其接口一般采用RS-232或者RS-485[15]，针对这些智能设备的控制增加了一个ZigBee转RS-232/RS-485的协议转换器，电路原理图如图8所示。

智能设备协议转换器接收各无线ZigBee节点的数据，并将数据通过串口传送到协议转换器的串口，并最终以以太网数据的形式传送到服务器，从而实现了各个ZigBee节点到服务器的数据互通。

图7 传感器模块原理图

图8 智能设备协议转换器原理图

3 软件设计

软件设计部分主要介绍智能集控中心软件及Android手机终端软件。

3.1智能集控中心流程图

图9给出了智能集控中心的流程，智能集控中心在初始化之后，接收来自上端的数据，进行判断之后再把数据发送到各个相应的子模块，各控制模块根据接收到的指令对相关设备进行远程控制。

图9 智能集控中心流程图

3.2移动终端软件设计

Android手机移动终端软件设计，主要从功能结构和流程来展开说明。

(1) 移动终端功能结构。移动终端的使用者主要是学生和实验室管理员，用户注册成功后，其信息就会被保存到数据库相应的数据表中，当用户再次登录时，服务器就会根据用户类型赋予相应的权限。学生账号只能查询实验室课表和开放实验室的开放情况；而管理员账号的权限较高，除对实验室课表及开放实验室进行管理外，还可以进行实验室监控，远程控制门禁系统、多媒体中控系统、中央空调、照明系统及供电系统等[3,16]。

图10 移动终端功能结构示意图

(2) Android手机终端流程图。为确保数据传输的可靠性，本系统采用TCP通信方式。服务器侦听来自Android手机移动终端的连接请求，接收并判断此请求，若连接成功则发送消息，等待Server的应答及数据返回，并通知观察者接收数据和消息状态；若连接不成功则会再次尝试连接，直至连接超时自动关闭TCP通信。

图11 Android手机终端流程图

当服务器接收到来自客户端的TCP数据，则会将数据进行缓存并发送给ZigBee协调器，通过ZigBee协调器实现对远程设备的控制。对于多栋实验楼的多间实验室的远程控制，可通过上位机间的联网通信来完成，通过连入校园网，用户还可以在线查看相关实验室的最新使用情况。

4 结 语

基于物联网的高校实验室智能管理系统的设计，能够实现多栋实验楼实验室环境的智能监测和电气设备的集中控制，彻底改变了以往粗放式管理模式，大大减轻了实验员的日常管理工作，提高了实验室的智能化管理水平。此外，通过对有源设备的智能化集中控制，也有效避免电力资源的浪费，延长用电设备使用寿命，并在一定程度上提高实验室的安全保障问题。

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Research and Design of Intelligent Management System of Laboratories Based on ZigBee

CAILipinga,LIWangbiaob,CHENHongguanga,LINLia

(a.Software Engineering Provincial Demonstration Center,Faculty of Software,b.College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350108,China)

Aiming at the disadvantages of the traditional computer lab manual management mode,this paper studies the design of the intelligent management system based on ZigBee.In this system,the real-time monitoring of environmental parameters in the laboratory is realized through the sensors such as temperature,humidity,light intensity and smoke.Relying on the software of intelligent centralized control center and Android mobile phone APP software,this system can realize the remote centralized control of the laboratory access control system,multimedia equipment,lighting system and computer power supply system.It has been proved that this system can realize the intelligent management of the laboratory,improve the management level of the laboratory,and reduce the workload of the laboratory staff.

ZigBee; laboratoryies; intelligent management; centralized centralized control; Android

2016-11-10

国家自然科学基金项目(61502103);福建省教育厅杰青项目(J1-1157);福建省教育厅A类项目(JA13076)

蔡丽萍(1984-)，女，福建莆田人，硕士，实验师，实验中心副主任，从事实验教学、实验室建设与管理工作,研究方向：嵌入式系统、嵌入式应用程序开发。

Tel.: 18960867922; E-mail: cailp108@163.com

TP 302； G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0159-05