基于物联网的实验设备管理系统的研制

陈天福，潘玲蓉，宋铁成，沈连丰

(东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096)

0 引言

目前高校实验室实验设备的管理工作，例如设备的入库，取用和归还等操作均需专门人员对其相关数据进行手工的记录和维护。为了节约资源，提高管理效率，实现智能化管理，本文已基于ZigBee和RFID技术，完成了实验设备智能化管理系统的构建。

ZigBee 网络符合 IEEE802.15.4［1］标准，可以实现短距离(1-100m)的无线个人局域网(WPAN)。无线射频识别RFID(Radio Frequency IDentification)又称电子标签，是一种通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的信息识别技术［2］。

本文基于上述技术，设计和实现了实验设备管理系统软硬件平台，模拟实验室设备的入库、借出、查询和归还功能，实现了实验设备的合理调配，从而达到实验室智能化和无人化管理的目标。

1 实验设备管理系统总体方案

为了实现设备管理系统的智能化，我们假设实验设备具有以下配置:完整的实验设备均为一套实验箱，实验箱中配备若干实验设备模块［3，4］。

我们提供的系统设计具有如下基本功能。

(1)为实验箱配备具有唯一ID号的RFID标签，作为实验箱的识别标志;

(2)为实验箱的每一模块配备具有唯一ID号的RFID标签，作为模块的识别标志;

(3)RFID阅读器读写RFID标签的ID号，通过ZigBee网络将读取数据发送到主节点;

(4)主节点将数据传送给上位机，进行数据分析、存档和处理，实现实验箱和模块的入库、借出、查询和归还等功能。

本文根据上述要求，构建了实验室设备智能管理系统，如图1所示。

图1 实验设备智能管理系统总体方案图

本系统由硬件和软件两部分组成。硬件采用的是Jennic公司的低功耗ZigBee解决方案。嵌入式开发软件方面，采用了该公司的ZigBee协议栈作为开发环境，与C/C++的CodeBlock兼容。该开发环境提供了丰富的API接口，极大方便和简化了开发过程。基于以上考虑，本系统选用JN5139芯片来实现物联网主从节点的功能。上位机软件采用了Borland公司的Delphi7进行用户界面的设计。在数据库方面，Delphi的特长特别突出:①适应于多种数据库结构，从客户机/服务机模式到多层数据结构模式;②高效率的数据库管理能力和新一代更先进的数据库引擎;③最新的数据分析手段且能提供大量的企业模块。

本系统的结构和工作流程如下:①上位机通过串口与物联网主节点相连，物联网从节点通过串口与RFID阅读器相连;②主从节点开机后组成网络，RFID阅读器将读取的标签ID数据通过无线传输给主节点，主节点再将数据转发给上位机;③上位机收到数据以后，对数据进行分析、存储和处理，以实现管理的各项功能。

2 硬件平台设计

硬件平台的设计包括两大部分:物联网主从节点硬件的设计和RFID阅读系统设计。

主从节点的功能主要是组建和维护网络，传送RFID控制命令，返回控制命令响应以及标签ID数据。因此，主从节点应该能够实现简单的数据透明传输。基于JN5139芯片的主从节点硬件结构如图2所示。

图2 实验箱智能管理系统主从节点硬件

JN5139芯片中集成的RISC处理器，处理速度高达16MHz，可以实现数据的快速处理，因而节省了外置处理器的需要。同时，该芯片集成了RF收发装置，能够方便及时地发送和接收数据，以满足ZigBee网络中无线数据的传输。此外，它还附带了UART和SPI等接口，其中SPI接口用以驱动SPI模式LCD显示屏。对于主节点，UART作为串行接口与上位机通信，对于从节点，则直接与RFID阅读器相连，作为RFID接入ZigBee网络的接口。由于主节点的数据处理任务较重，系统采用了独立电源供电，考虑到从节点的可移动性，可使用电池供电。

在本系统中，RFID读写模块选用恒睿电子的RMU900+。这是一款工作于840-960MHz频段的超小型化模块。它集成了PLL、无线发射、无线接收、耦合器以及 MCU等部件，支持EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等协议。

3 软件平台设计与实现

本系统软件主要由两部分组成:ZigBee嵌入式软件部分以及上位机管理系统软件部分。其中的ZigBee嵌入式软件完成网络组建，无线数据传输等功能。上位机管理系统软件主要完成数据的存储，数据处理和数据库管理等功能。

3.1 Zigbee嵌入式软件的设计与实现

主节点开机后，先对指定信道进行能量扫描，并根据扫描结果对信道进行排序，选择符合能量要求并且现存网络数目最少的信道;确定信道后，选择或者指定唯一的PAN ID作为网络描述符，并初始化和启动网络;从节点开机后扫描到主节点建立的网络，在确认主节点允许设备加入后，发出MAC关联请求;主节点返回请求确认信息，并为子节点分配16位网络短地址，网络便组建成功。

上位机向主节点发送初始化RFID阅读器命令，通过ZigBee网络发送给从节点，从节点将接收到的命令通过串口发送给RFID阅读器，RFID阅读器接收到命令以后发送初始化成功的反馈消息，上位机收到以后，初始化完成。

Zigbee软件工作流程如图3所示。

图3 Zigbee嵌入式软件工作流程

3.2 上位机管理软件的设计与实现

本系统的上位机软件实现四项功能:新建实验箱，查询实验箱，借出实验箱和归还实验箱。其工作流程如图4所示。

图4 上位机管理软件工作流程

(1)新建实验箱功能

该功能模拟了物流管理中的入库操作。为了正确地进行入库操作，首先为需要入库的实验箱命名，然后利用RFID阅读器读取实验箱标签ID号;接着，分别为该实验箱的各模块命名，读取模块标签ID;当所有的模块标签数据被录入，一套完整的实验设备便完成了入库操作。与此同时，所有数据被存储在数据库中。

(2)查询实验箱功能

该功能模拟了物流管理中的查询操作，包括检测实验箱，查看所有实验箱，查看在库实验箱，查看借出实验箱。为了检测实验设备的完整性，需要对实验设备进行逐个检测。首先扫描待检测的实验箱标签，当识别为实验箱时，系统会提示当前实验箱的当前状态，包括实验箱名称ID，模块数目，是否借出以及借用人名称;然后，检测当前实验箱中的模块，若正确地检测到实验箱模块，系统会给出模块相应的状态信息。

查看所有、在库和借出实验箱的功能用于检查当前库存信息，以便有效地管理所有实验箱资源。

(3)借出实验箱功能

该功能模拟了物流管理中的出库操作。为了将实验箱借出，首先需要对借出实验箱进行检测，以保证实验设备在借出时的完整性和可用性，该过程与“查询实验箱”中的“检测实验箱”子功能类似。在完成了实验箱和设备的检测以及借用人确认身份以后，可以顺利地借出整套实验箱。

(4)归还实验箱功能

该功能模拟了物流管理中的归还操作。为了保证实验设备在归还时的完整性和可用性，首先需要对归还的实验箱进行检测，该过程与“查询实验箱”中的“检测实验箱”子功能类似。在完成了检测后并确认借用人身份后，可以将实验箱归还入库。

3.3 数据库管理

本系统中处理的数据主要为实验箱和模块的名称、ID号和状态等信息，采用了Microsoft SQL Sever 2000来管理数据库。其中包括两个最重要的数据表:一个数据表用来记录实验箱名称、ID号、模块数目、在库状态和借用人信息。另一个数据表用来记录模块名称、ID号、所属实验箱ID号、在库状态和检测状态信息。使用实验箱ID号作为关联这两个表的关联键值。

Delphi提供了ADO、ODBC和BDE三种数据库访问方式，本系统的使用的是ADO技术。利用Delphi封装的ADO接口，可以简单有效地管理数据库数据。

4 系统测试

在硬件和软件平台基础上，我们测试了本管理系统，系统运行界面如图5所示。主界面显示了系统的硬件结构图，点击面板上“系统初始化”可以完成串口和RFID阅读器的初始化，点击各功能按钮可以打开窗口进行相应操作。在操作过程中，可以实时查看当前数据库中实验箱和模块的各项信息。

实验结果表明，本系统充分利用ZigBee无线网络的短距离，低功耗，组网效率高，传输稳定的特点，结合RFID无线识别功能，结合RFID无线识别功能，能够有效地规范和管理实验设备的使用。能够在实验设备的无人化管理方面发挥一定的作用。

图5 实验设备智能管理系统界面

5 结语

本文设计和实现了一种基于物联网技术的实验设备智能管理系统，充分利用了ZigBee无线网络，RFID无线读写系统，数据库系统等技术的特点。该套实验管理设备管理系统已经在若干高校的实验室进行了实际应用，有效地实现了实验设备的智能化管理。

本文提出的智能化管理概念对其它物联网应用系统地有借鉴作用，可以扩展到图书管理，超市货物管理等方面。

［1］ “IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements，Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”.IEEE Comupter Society，New York，2003

［2］ J Y.Wang，H.Min，W.He.Design of Logistics-oriented RFID System.Computer Engineering and Applications，vo1.43，no.8，pp，22-33，2007

［3］ 刘佳，刘柏全，宋铁成，沈连丰.一种物联网教学实验系统的设计与实现［J］.南京:电气电子教学学报，2010年第06期

［4］ 王艳秋，曾维鲁，岳宇君.ZigBee技术在仓储管理中的应用［J］.成都:通信技术，2008，41(11):205-207