ZigBee&RFID技术在实验室管理中的应用

彭小玲　彭小容

摘 要： 设计了一种基于ZigBee和RFID技术相结合的实验室仪器设备系统管理平台，通过该平台，实现了对实验室仪器设备和学生的管理。用ZigBee传感器网络来定位仪器设备的位置，用RFID技术来识别使用人的身份，仪器可通过对使用人的身份验证结果来决定是否可使用该仪器设备，并记录使用情况以备检查和追溯。RFID读卡器采用NXP公司的13.56MHz的RFID芯片RC522，Zigbee系统采用TI公司的2.4GHz SoC芯片CC2530来搭建。测试结果表明，系统设计运行稳定，仪器定位位置准确，RFID读写速度极快，识别率高，网络稳定性好，有很强的适应性。

关键词： ZigBee； RFID； 实验室； 管理

中图分类号：TP9212.9 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）12-64-04

Application of ZigBee&RFID technology in laboratory management

Peng Xiaoling1， Peng Xiaorong2

（1. ZheJiang ChangZheng Vocational&Technial College， Hangzhou， Zhejiang 310023， China； 2. ChongQing Institue of Engineering）

Abstract： A laboratory equipment management platform based on ZigBee and RFID technology is designed. Through this platform， the management of laboratory instruments and equipments and students is realized. With the ZigBee sensor network to locate equipment position， with the RFID technology to identify the user， the instrument can determine whether the instrument can be used according to the user's authentication result， and can record the usage for inspection and tracing. The RFID card reader adopts NXP's 13.56MHz RFID chip RC522， and Zigbee system uses TI's 2.4GHz SoC chip CC2530. The test results show that the system runs stably with accurate positioning， high speed RFID reading and writing， high identification rate， perfect stability of network and very strong adaptation.

Key words： ZigBee； RFID； laboratory； management

0 引言

随着学校规模的不断扩大，实验室建设也越来越多，传统的实验仪器、设备和耗材等没有建立管理信息系统，不利于对这些设备和耗材的维护和管理；对仪器设备的管理流程仍按照填单式手工处理方式，这很容易导致遗漏和出现错误，造成设备丢失。

随着物联网技术的不断发展，采用基于RFID和ZigBee技术相结合的解决方案能方便的管理实验室仪器设备。RFID是一种自动识别技术，具有非接触性，它利用雷达反射或者射频信号及其空间耦合传输的特性，来实现对静止或移动目标进行自动识别[1]。ZigBee技术是一种无线通信技术，它具有双向性、低成本、低功耗、近距离、低复杂度、低速率等众多优良特性，较适合于监控、自动化或远程控制、传感器等领域，可嵌入各种仪器设备中[2]。本文基于RFID和ZigBee技术，实现对实验室仪器设备和学生二方面的管理，用ZigBee传感器网络来定位仪器设备的位置，并且通过ZigBee技术向控制中心传输仪器设备的状态信息，也可接受控制中心通过上位机下达的全局控制设置[3-4]。RFID技术能识别使用人的身份信息，仪器设备通过对使用人的身份验证结果来决定是否可以使用该仪器设备，并且记录使用情况，这样就可以通过查询仪器设备的历史使用情况来找到损坏仪器设备的责任人。

1 系统方案设计

系统平台基于RFID和ZigBee技术，借鉴了国内外优秀类似系统研究经验，系统RFID读卡器设计采用NXP公司的13.56MHz的RFID芯片RC522，Zigbee无线传感器网络采用美国TI公司的2.4GHz系统级SoC芯片CC2530来搭建。

1.1 系统主要功能

系统实现的主要功能如下：

⑴ 对仪器设备的位置定位；

⑵ 保护仪器设备的安全。当仪器设备将要离开安全范围时，及时启动声光报警；

⑶ 使用者使用仪器前将进行RFID身份验证，通过验证才能使用仪器；

⑷ ZigBee系统在备用电池供电情况下至少能工作半年；

⑸ 防止仪器和系统电路遭人为损坏，当仪器设备遭强行拆开时，立刻启动声光报警来提示。

1.2 系统框架设計

系统主要由控制中心、基于ZigBee 的无线传感器网络通信模块、仪器设备搭载ZigBee和RFID、门禁RFID以及显示部分等构成，主要框架结构如图1所示。

控制中心模块采用X86作为系统平台，基于Windows NT操作系统，搭配VC++作为控制中心软件运行环境，采用MFC作为应用程序开发框架进行控制中心软件开发。

按照基于IEEE 802.15.4标准的德州仪器公司的ZStack-CC2530协议栈来开发传感器网络通信组件，完成传感器网络的建立、维护、通讯以及节点控制等功能。

⑴ ZigBee节点。包括终端节点，路由器节点和协调器节点，采用TI公司的SoC单ZigBee芯片CC2530来搭建，电路图和外围设备连接自行设计。CC2530是真正的系统级芯片，集成了性能强大的RF收发器，基于工业标准增强型的8051处理器，系统级可编程闪存，大容量内存以及串口等众多外围接口设备。

⑵ 传感器。用于对实验室仪器设备信息的位置和状态感知，包括压力、振动和位移等诸多传感器。

RFID对仪器的使用者进行身份验证，以便确认使用者能开启和使用该仪器设备。RFID读卡器采用NXP公司的RC522芯片来设计读卡器电路，因RC522原装芯片价格较低，使用、开发也方便，很适合用来开发读卡器、射频卡终端等。

显示部分用来显示系统在使用过程中的状态信息，可以是指示灯或者声音提示等。由于本系统是在仪器内部工作用以保护仪器设备的安全，所以只需一些简单的LED状态指示灯和声音来提示系统工作状态。LED状态指示供系统调试时使用；声音提示用于用户身份验证结果以及当前仪器设备是否在安全区域等。

1.3 系统通信协议及数据帧格式设计

当ZigBee网络结构和RFID技术相结合时，网关通常用ZigBee节点的网络通讯模块来承担，然后通过ZigBee协议把RFID读卡器读取的数据传输到上位机或控制中心[5]，其通信结构如图2所示。

2 关键电路设计

2.1 ZigBee系统电路设计

图4是CC2530芯片的基本电路结构图。由于本方案只需读取芯片RC522以及电源控制部分，外部接口设备也很少，所以只需使用CC2530基本结构就能满足系统需要。

2.2 RC522 RFID读卡器电路设计

图5是RC522芯片用来设计读卡器的典型应用。因为本读卡器采用查询的方式来识别RFID射频卡，所以读写RFID射频卡不需要采用中断技术来中断系统。

3 关键程序的设计

3.1 终端程序设计

本系统使用德州仪器公司（TI公司）提供的协议栈来开发终端程序，通过在协议栈的用户任务列表中添加系统所需功能。

终端程序需要与路由器和控制中心通信，通信内容主要包括以下五个命令：认证请求与认证确认、设置蜂鸣器、调试及PING等命令，对于每个命令都需要相应的数据帧格式，流程如图6所示。

[开始][初始化系统

启动协议栈][是否有市电？] [是否授权？] [读卡并请求授权][发送PING帧][休眠系统节电][打开仪器的电源] [是] [是][否][否]

图6 终端程序流程图

终端程序收到不同类型的数据帧后进行相应的处理，主要源代码如下：

void App_Mess（afMSPack_t *pk ）

{ frame_beep_t *pBep；

switch （ pk->clusId ）

{ case CLUS_DATA：/*数据透传帧*/

/* 协调器处理*/

case CLUS_PING：/*PING帧*/

/* 路由器才会收到这个帧*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到认证许可*/

/* 终端收到认证许可，启动仪器*/

case CLUS_BEP：/*蜂鸣器开启*/

/* 终端处理*/ }}

3.2 路由器程序设计

路由器主要用以形成ZigBee网络结构，使用协议栈的数据包生成路由，将终端发送的数据转发给控制中心，并将控制中心的数据回送给终端。

路由器发送PING帧给控制中心来监视路由的工作状态。因为路由器不需要仪器管理和报警功能，所以其PING帧结构和终端程序的PING帧结构一样，只需把路由器帧结构的状态部分都置为零。路由器处理数据帧源代码如下：

void App_Mess（ afMSPack_t *pk ）

{ frame_ping_t *pPing；

switch （ pk->clusId ）

{ case CLUS_DATA：/*数据透传帧*/

/* 协调器处理 */

case CLUS_PING：/*PING帧*/

/*路由器把测量的RSSI值加进去*/

send_to_pc（（uint8*）pPing， sizeof（frame_ping_t））；

/*然后发送给PC机*/

case CLUS_RFID_AUTH：/*收到认证许可 */

case CLUS_BEP：/*蜂鸣器开启*/

/*终端处理*/ }}

3.3 上位机程序设计

上位机程序使用MFC框架来进行开发。处理串口数据部分使用微软ActiveX 控件Microsoft Communication Control控件来实现读写。程序窗体采用对话框窗体设计，并且主窗体产生子窗体用于认证和显示调试信息等。

当上位机程序收到从串口传输来的数据帧后，根据数据帧帧头部分MAC地址信息判断是从哪个仪器设备发出的，然后从自己维护的设备库中查找该设备，如果查不到该设备MAC信息，那么就创建该仪器设备并记录在设备库中。设备库采用链表的存储结构，便于删除和添加设备信息。上位机就是通过这种方法来更新和管理设备库，并时时维护该设备库的信息和实际仪器设备信息的一致性。

为了方便系统管理员能批量控制全部仪器设备，上位机还提供了一些全局参数设置，比如全局时间控制设置。通过全局时间控制设置，可以授权控制全部仪器设备一次能使用的时间长短，管理员也可以通过设置全局时间控制全为0来禁止所有仪器设备的使用。

4 结束语

本文针对实验室仪器设备管理存在利用效率低、信息采集困难、动态维护困难、丢失情况时有等实际情况，提出了一种采用RFID和ZigBee技术相结合的方案，实现了对实验室仪器设备和学生二方面的管理，用ZigBee传感器网络来定位仪器设备的位置，利用RFID技术来识别使用人的身份，仪器设备可通过对使用人的身份验证结果来决定是否可以使用并启动仪器，并且记录仪器使用信息，便于事后检查和追溯。将此技术用于实验仪器设备管理是一种可行的技术方案，也是未来物联网技术应用的一个方向。

参考文献（References）：

[1] 聂涛，陆阳，张鹏，袁旭虹，苏燚.RFID与WSN在物联网下协同

机制的分析[J].计算机应用研究，2011.28（6）：2006-2010

[2] 刘明，董朋涛，王敬华，杨三平.无线传感器网络实验系统开发[J].

电力系统通信，2013.30（2）：58-61

[3] 金小华，崔鸣.基于条形码输入的实验室设备信息管理系统[J].

实验室研究与探索，2011.22（2）：193-196

[4] 张静，袁龙飞.高等学校基于网络环境下的实验室信息管理

系統的研究与应用[J].高校实验室工作研究，2008.19（1）：58-60

[5] 欧阳力.RFID与基于ZigBee技术WPAN融合的研究[D].华

东师范大学硕士学位论文，2007.