基于ZigBee物聯網的智能計算機實驗室管理系統

焦陽　王聘　李守宏*

1遼寧廣播電視大學（沈陽　110034）2朝陽廣播電視大學（朝陽　122000）

基于ZigBee物聯網的智能計算機實驗室管理系統

焦陽1王聘2李守宏1*

1遼寧廣播電視大學（沈陽110034）2朝陽廣播電視大學（朝陽122000）

隨著高校信息化發展，智能計算機實驗室的應用日益重要。針對目前計算機實驗室管理效率低、信息化程度低等問題，提出了一種基于ZigBее無線傳感器、嵌入式系統和Intеrnеt等物聯網技術的計算機實驗室管理系統。該系統利用單片機和ZigBее無線傳感器設計感知層節點，利用ASP.nеt和SQL數據庫搭建服務層軟件。該系統結構分明，數據采集精度高，實時性良好，遠程監控穩定。本系統的設計和實現為網絡化測控智能實驗室的研究提出了一種先進的解決方案。

物聯網；ZigBее；實驗室管理系統

計算機實驗室的建設和管理是高校信息化發展的重要環節，計算機實驗室承擔著學生計算機實踐教學的重要責任，是檢驗學生動手能力的重要場所。因此，高校計算機實驗室的建設和管理是多個高校的工作之重。然而由于高校計算機實驗室的差異性與繁瑣性，加之人工管理模式的局限性，高校計算機實驗室的使用往往存在較多的故障，難以滿足不斷增長的學生需求。對此，本文基于物聯網的智能應用，提出了一種新型的計算機實驗室管理模式。

物聯網技術是互聯網技術發展到一定階段的產物，主要有感知層、網絡層和應用層組成。感知層的用戶端可通過傳感器技術延伸至任何物品之間，實現物體識別和信息采集；網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成。負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層即為物聯網與用戶的接口，最終實現智能化識別、定位、跟蹤、控制等功能［1］。

提出的基于智能物聯網的計算機實驗室管理系統分別從物聯網的三層結構與計算機實驗室管理系統融合開發，充分利用物聯網技術的信息化特性，集成了多個傳感器技術設計計算機實驗室檢測傳感器節點，基于.nеt框架開發了計算機實驗室信息監控軟件。該系統的提出與設計有效加快了高校計算機實驗室管理系統的信息化與智能化。

1　管理系統框架設計

傳統的人工管理模式存在多種局限。首先，計算機實驗室可監控參數匱乏。計算機實驗室使用過程中需要一系列的安全條件監控，例如水、電、可燃氣體以及動力電源等。傳統人工模式往往無法實現多參數準確檢測，不能保證24小時的不間斷檢測。其次，計算機實驗室設備管理軟件不完善，缺乏相應的實驗室設備管理軟件或實驗室設備管理軟件難以涵蓋實驗室管理和維護的各個方面，如資產管理，維護管理和租借管理。再次，人工管理模式管理對象往往局限于固定資產設備，不能有效進行實驗室使用人員（包括學生，老師及其他人）和使用問題的管理。最后，人工管理模式中，資源信息共享機制薄弱。計算機實驗室的管理往往只針對單個學科的實驗室管理，跨學科交叉和技術交流很難進行。同時，計算機實驗室空閑利用率較低［2-3］。

針對人工管理模式的種種不足，計算機實驗室管理系統框架設計方案如圖1所示，該系統基于物聯網的三層結構框架，感知層利用ZigBее的WSN技術，加載多種傳感器實現計算機實驗室各設備的實時信息與狀態，該狀態信息可通過ZigBее無線網絡匯總至ZigBее網關，實現與網絡層的交互；網絡層中包含一臺數據庫服務器和WEB站點服務器，其中數據庫服務器實現感知層數據存儲，WEB站點服務器通過訪問數據庫服務器獲取數據信息，并可將以上信息發布至局域網或校園網上；應用層主要針對各個使用人員，用戶可使用搭載WEB瀏覽器的終端設備進行實驗室管理系統的管理和控制。

ZigBее網絡由協調器、路由節點和終端節點三種組成，可構成星型、樹型和網狀型拓撲結構。根據應用場所的不同，應合理選擇網絡平臺。在計算機實驗室環境下，由于區域較小，采用星星網絡。該網絡拓撲結構中，路由節點、終端節點可直接與協調器進行通信，該拓撲結構控制、同步簡單，同時可保證數據傳輸速度。

圖1　管理系統結構框圖

在本系統，設計節點IEEE地址與實驗室設備一一對應，即可根據各節點狀態信息進行各設備狀態的準確確認。

ZigBее協議棧選擇zstack2006，采用AODV路由協議。該協議棧采用OSAL操作系統，可分為物理層、介質接入控制子層、網絡層、應用層等。用戶可在應用層進行自定義任務添加，在工作周期內進行任務循環。本系統中，可使用應用層進行各傳感器讀取，提取當前節點狀態信息［4］。

2　管理系統流程分析及實施方案

傳統人工檢測模式下，當增加計算機實驗室某方面管理系統時，往往會帶來大量的軟硬件設備和機房的管理工作，同時多種管理系統往往不能相互兼容?；赯igBее物聯網的智能計算機實驗室系統旨在整合計算機實驗室紛繁復雜的設備信息、智能感知外界信息、實時檢測計算機實驗室狀態信息。針對以上目標，系統分層設計如圖2所示。

圖2　管理系統流程圖

感知層節點主要有檢測控制器和ZigBее節點組成，其中檢測控制器掛載溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、電壓/電流霍爾傳感器、繼電器等多種傳感和控制模塊，用于計算機實驗室多種參數的檢測和報警狀態的控制動作。ZigBее節點通過UART方式與檢測控制控制器數據，獲取多種信息。ZigBее節點可自動組網，并基于該網絡遠程將感知層節點信息傳輸至協調器。

網關以485通信方式獲取協調器信息，并可通過網絡上傳至服務器。

服務器層通過網絡與網關連接，基于TCP/IP協議接收網關傳輸的數據信息。服務器層設計基于ASP.nеt，ADO技術訪問SQL SEVER數據庫，可完成計算機實驗室信息存儲、分析、報警與控制、人員管理、設備管理等功能。

2.1感知層設計

感知層節點設計框架圖如圖3所示。

圖3　感知層節點框架圖

感知層節點包括檢測控制器和ZigBее節點。檢測控制器基于C8051f120單片機設計，c8051f120單片機是完全51內核的單片機，包含豐富的片內外設，如AD轉換芯片，雙uart串行端口，溫度傳感器，SPI通信接口等。ZigBее節點主控芯片選擇CC2430芯片，該芯片為增強型的51內核，符合802.15.4標準的射頻裝置，最大通信距離可達1.6KM。

檢測控制器的檢測與控制參數主要有以下4種：（1）電源參數，涉及計算機實驗室各相電壓、電流等；（2）環境參數，如溫度、濕度、燈光、煙氣等；（3）門禁參數，主要功能為人員檢測以及來訪登記等；（4）控制參數，當產生報警狀態時可進行斷電、報警等動作。針對以上監控參數，檢測控制器分別設計了電源檢測模塊、溫濕度檢測模塊、火焰煙氣檢測模塊、門禁系統控制模塊以及多繼電器組。

ZigBее節點主要負責信息的接收和發送。在本系統所設計的zigbее節點中，用戶僅需要添加串口響應函數和無線數據響應函數即可完成檢測控制節點的數據傳輸和服務層軟件的命令接收。

檢測控制節點檢測傳感器和ZigBее協調器輸出網絡結構關鍵代碼如下：

2.2服務層軟件設計

服務層軟件基于ASP.NET平臺，采用三層架構，即數據操作層、業務層、用戶應用程序。服務層軟件件通過TCP/IP與網關互聯，通過SQL SEVER數據庫完成用戶角色管理、計算機實驗室狀態信息存儲與回調、計算機實驗室設備日志記錄等，服務層軟件還可完成網絡布局實時顯示、實驗室狀態分析和報警等功能。

2.2.1用戶角色管理

服務層軟件定義多種操作角色：普通用戶、高級用戶、超級用戶，可實現對多用戶的數據管理和操作。該模塊可實現不同用戶的登錄，注冊等。

2.2.2計算機實驗室狀態讀取

服務層軟件通過串口與協調器連接，服務層軟件可實現特定設備的狀態讀取，各設備狀態循環顯示，并可自主進行各設備采集精度，采集速度等參數。已采集到的數據自動存入數據庫中，以備后續使用。

2.2.3計算機實驗室日志記錄

服務層軟件可記錄計算機實驗室的使用日志。高級用戶和超級用戶都可通過該功能完成計算機實驗室設備轉移記錄、計算機實驗室使用記錄等功能。

2.2.4計算機實驗室狀態數據分析與報警

服務層軟件可進行計算機實驗室狀態數據的分析、判斷和報警。超級用戶可自主設定各報警限位，當狀態到達報警限位，服務層軟件發送控制命令智能控制各感知層節點。

為保證計算機實驗室狀態數據的準確讀取，服務層軟件使用置信區間算法濾除狀態數據中的粗大誤差。服務層軟件置信區間算法具體如下：

假設采樣數據X（x1，x2……，xn-1，xn）共n條數據，置信概率P，顯著水平α=1-P

則采樣數據均值為：

采樣數據方差S2為：

構建隨機變量Z符合正太分布N（0，1），

進而可得隨機區間

為采樣數據X置信度為P的置信區間。

利用置信區間算法可有效避免計算機實驗室狀態數據采樣過程中出現的粗大誤差，當采樣數據不在該置信區間范圍時，系統默認該值為錯誤值并自動忽略。利用以上算法，系統可進一步提高采集精度，為后續的數據分析提供有利的數據基礎。

3　實驗結果對比與分析

以基于ZigBее的物聯網技術為基礎設計的智能實驗室管理系統，實現了計算機實驗室多種參數的檢測與控制、人員信息管理和簡單控制系統。本課題完成了檢測控制節點設計、ZigBее物聯網組建、服務器系統設計與遠程控制的功能并進行了相關的簡單測試，測試結果表示檢測控制節點數據采集準確、控制有效，ZigBее網絡傳輸精度高、時延短、冗余度低等特性，服務器網頁設計合理、數據分析準確。然而本系統所涉及的ZigBее網絡僅僅是ZigBее網絡的簡單應用，在組網以及路由算法等方面的研究不夠，網絡強壯性仍需改進。但實際應用表明，基于ZigBее物聯網的智能計算機實驗室管理系統可大量減少底層工作，是一種先進的計算機實驗室網絡化測控方案。

［1］王保云.物聯網技術研究綜述［J］.電子測量與儀器學報，2009，（12）.

［2］滕勝榮，孟慶繁.高校教學實驗室管理［M］.北京：科學出版社，2008.

［3］呂波，邱劍均，劉婧玉.如何加強高校儀器設備管理［J］.醫學信息，2011，24（4）.

［4］李文仲，段朝玉.ZigBее2007技術實踐教程［M］.北京：北京航空航天高校出版社，2009.

（責任編輯：文婷）

TP393.4

A

1003-3319（2016）03-00025-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.03.0025

遼寧省現代遠程教育學會2015年應用性專項研究“智能物聯網技術應用研究”（2015YYYJ-6）