基于ZigBee的開放實驗室無人值守監控系統設計

謝杰

摘要

介紹了關于開放實驗室管理系統的設計思考，文章論述了一套在ZigBee的基礎上開放，用于遠程監控實驗室的系統。使用短程無線技術ZigBee建立無線傳輸網絡用于實驗室內部，進行實時監控門窗磁，煙霧，火焰和人體紅外線等具體的安防參考數據。具體檢測數據將從專用協調器經過GSM模塊系統以短信的形式發送到使用者手機上，真正的實現實驗室實時遠程監控，對開放實驗室無人值守監控系統的探究提供有益借鑒和研究。

【關鍵詞】無人值守 ZigBee 設計思考

隨著不斷地創新實驗室教學變革，提高學生的實踐能力與整體水平，開放實驗室也都成為了高校實驗室不可或缺的一部分，為學生展開各項實驗活動創造了一個自由發展的環境，不過實驗室的管理系統并不完善。為提升開放實驗室的使用和管理，使值班教師的工作量相對減少，于是，實驗室的開放管理，使得無人值守監控系統開始發展起來。

1 開放實驗室的意義分析

開放實驗室即充分尊重學生在學習過程中的自覺性，提高學生在實驗室學習過程中的自我管理和自我學習的情況下，高校實驗室在確保完成學校計劃內的教學科研任務之外，積極使用高校實驗室已有的各種信息以及各種資源和設備等，針對高校學生進行免費開放使用，進而為學生在課堂教學之外能夠進行和學習有關的一切科學研究和自主實驗學習等活動打下良好基礎。現如今伴隨高校正逐漸重視和加大對實驗室的建設，我國高校中包括工科類高校的實驗室資源已經非常豐富和完善，建立了不同種類的大型開放實驗室實訓基地，比如工程實訓基地和一些相關的高級職業技能實踐基地以及多媒體圖書室等，很大程度地完善了學生在課堂后的學習，提高了高等學校的教育質量。

2 ZigBee技術介紹

ZigBee是一種新型的短程的、簡單的、便宜的、性價比高的雙向無線網絡。十分適用于新型的智能家居和實驗室等相對于數據量和信息不大的體系中。文中探討的開放實驗室無人值守體系，不受光照溫度濕度等因素的影響，將安防系統作為重要因素，使系統簡潔明了，通過ZigBee技術作為協調器網關，最大程度的利用ZigBee協調器功耗小的優點，不用接通實驗室的強力電供電，僅僅借助電池就能夠實現長時間運行，使無人值守真正的實現。對比市面上現有的各類有線以及無線網絡通信技術，ZigBee技術是性價比最好高最合適的。同時由于Zigbee的數據速率低以及接力通信的優點，這也其在數據流量偏小的業務中的優勢。

3 Zigee網絡在實驗室管理中的應用

在現實應用中，實驗室管理員可以把遠程計算機放在自己的工作辦公室以及居住地等容易操作的位置，開放實驗室的考勤管理以及實時監控數據都體現在遠程計算機上。可以在實驗室的墻壁上安置主節點，而在改裝后的實驗室電子端上設置子節點，在實驗室的門上安置射頻卡讀卡器，使用開放實驗室的學生必須使用同一的卡才能進入開放實驗室，刷卡之后10秒，主節點的門會立即關閉，后面來的學生想要繼續進入必須再次刷卡，在正對著主節點硬件門的墻壁吊頂上安置視頻監控器，用于實時監控當進入的學生，當實驗室們打開時實施抓拍照片。另外實時監控抓拍的照片跟讀卡器讀出的學生學號等相關信息為了集中的考勤記錄和管理全部發往在程序中設定的電子郵箱地址或遠程服務端。在學生刷卡進入之后，實驗室的空調和窗簾以及照明系統將會按照程序中設定好的模式啟動。此外，實驗室的學生以及實驗室管理者都能通過Zigbee技術后期實時的查看和修改開放實驗室各儀器和設備的模式和工作參數，比如可以改變空調開啟時的溫度，掃風模式，多功能鐘的時間和模式等。在實驗室的學生離開時，將ZigBee主節點的關閉功能打開，這時實驗室相關的設備將停止工作。而與學生有區別的是，實驗室管理者在擁有以上權限的操作之外，還能夠通過遠程計算端使用線上網絡對開放實驗室的主節點進行訪問，使用ZigBee網絡管理查看實驗室各設備的運行狀況，實驗室管理者還能夠調取近期進入開放實驗室學生的進入相片記錄和考勤記錄。

4 系統軟件設計

ZigBee無線網絡通信軟件系統是在TI公司的z-Stack 2007協議棧上完成的軟件系統，應用了星形網絡拓撲的構造。

網絡協調器在ZigBee網絡中扮演了管理者和后期維護者的角色，網絡協調器用于打造一個ZigBee網絡系統，進而通過這個軟件實現相關數據通信的想法。協調器連接電之后，會先進行網絡硬件初始化掃描，然后通過一系列的信道掃描工作，尋找合適的空閑信道，進而由它建立一個此工作界限內所不具有的網絡信號，生成一個專屬的ZigBee無線通信網絡。最后測試進入網絡內部需求的終端節點是否符合要求是否合法，判斷之后等待終端節點進入網絡并進行保護。在有合法的終端節點進入Zigbee終端網絡后，便進入輪詢等待終端發出消息的狀態，進而實現實時接收終端節點發送的相關數據，經過終端串口傳輸到GSM模塊進行處理，反之也能夠收到傳自GSM模塊終端的數據，傳輸到終端節點。

在網絡系統中內含多個ZigBee終端網絡節點，而每個節點依據具體指令分成了不同的控制模塊或者是相關的傳感器模塊，通過將傳感器終端接受到的數據傳輸給協調器上，或執行協調器命令的形式，來要求相對應的終端設備進行工作。在無線通信網絡部分，終端節點端的程序設備功能是相同的。終端節點設備在連接上電之后，會先進入系統初始化的程序，然后傳輸加入網絡請求信號給協調器節點，在建立好網絡之后便收集傳感器的命令發送給網絡協調器，若沒有傳感器信號或者收集結束之后進入休眠模式，節省傳感器的電量，收到采集任務便會立即喚醒，進人正常工作狀態，依據協調器命令操作，操作規定的設備終端控制任務或進行數據采集，任務結束后再次進入休眠模式。

5 總結

總而言之，開放實驗室系統設計作為一項較為繁瑣的系統性工作，包含實驗室的完整體系架構系統和對應的數據庫設計等各式各樣的內容，就要求相關設計管理者具有系統性的思考方式，將開放實驗室無人值守監控系統的完善努力做好，以實現開放實驗室的全方位遠程實時監控，這也提升了高校開放實驗室的系統有效運行，提升了開放實驗室發展的實際應用功能，同時為高等學校實驗教學質量的不斷提高奠定了夯實的基礎。

參考文獻

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