針對(duì)于目前實(shí)驗(yàn)室人工考勤管理效率低、設(shè)備管理難度大、防盜、防火災(zāi)僅靠人工輪值巡查很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室節(jié)能等問題，一種提出了基于ZigBee和STM32的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。本文是一篇職稱論文發(fā)表范文，主要論述了基于ZigBee和STM32的實(shí)驗(yàn)室無線遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。
　　摘要： 針對(duì)于人工完成實(shí)驗(yàn)室考勤工作量大、實(shí)驗(yàn)室防盜、防火災(zāi)、設(shè)備管理、環(huán)境控制自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)效率低等問題，提出了基于ZigBee和STM32的實(shí)驗(yàn)室無線遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用RFID讀寫器實(shí)現(xiàn)門禁控制、到勤登記，利用GPRS和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程控制和管理，利用各類傳感器進(jìn)行防盜監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和火災(zāi)監(jiān)測，利用CC2541藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)設(shè)備碼檢測功能和RSSI定位能力實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備出入登記管理，利用ZigBee的無線組網(wǎng)通信特性以及GPRS、TCP通信實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室無線遠(yuǎn)程管理。

　　Abstract： For the problem that the big workload of artifiacal laboratory attendance， the low rfficiency of guarding against theft， fire prevention，equipment management and environmental control automation implementation， the design approach of the wireless remote management system of laboratory based on ZigBee and STM32 is introduce. The system completes the entrance guard control and the attendance registration by RFID read-write device， achieves the goal of the remote control and management of laboratory using GPRS network and ethernet function， implements the anti-theft monitoring， environment monitoring and fire monitoring using various types of sensors， implements the laboratory equipment registration and management function using the CC2541 bluetooth node equipment code detection function and RSSI positioning ability， achieves the goal of wireless remote laboratory management using ZigBee wireless network communication features， and GPRS， TCP communications function.

　　關(guān)鍵詞： ZigBee,STM32,遠(yuǎn)程,管理,監(jiān)測

　　Key words： ZigBee;STM32;remote;management;monitoring

　　0 引言

　　ZigBee技術(shù)作為雙向無線通信技術(shù)，成為現(xiàn)在無線監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用研究熱點(diǎn)[1-2]，并結(jié)合STM32較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和GPRS和以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程通信能力，借助于RFID讀寫器的電子標(biāo)簽讀寫能力和藍(lán)牙設(shè)備檢測能力，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程管理、設(shè)備管理、考勤管理、防盜監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)室節(jié)能等目的。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1。

　　1 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　門禁節(jié)點(diǎn)主要功能包括管理員刷卡門鎖控制、外人拜訪門鈴?fù)ㄖ�和門鎖防盜監(jiān)測。結(jié)構(gòu)圖如圖2。通過RFID讀寫器識(shí)別卡號(hào)并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫里管理員卡號(hào)比對(duì)若為管理員則門自動(dòng)開啟，外來人員可以通過門鈴按鈕通知實(shí)驗(yàn)室人員開門若一段時(shí)間后還沒人開門則會(huì)通過GPRS發(fā)送“有人拜訪”消息[3]，管理員可以通過手機(jī)短信控制門鎖開關(guān)。當(dāng)管理員刷卡離開實(shí)驗(yàn)室后開啟防盜模式，若有人撬門侵入，則人體紅外傳感器、振動(dòng)傳感器和聲音檢測傳感器檢測到侵入信息[4-5]，蜂鳴器報(bào)警并通過GPRS自動(dòng)發(fā)送“有人侵入”信息給管理員報(bào)警。

　　防盜節(jié)點(diǎn)主要包括振動(dòng)傳感器、人體紅外傳感器、聲音傳感器。防盜節(jié)點(diǎn)置于窗戶邊緣，在管理員刷卡離開實(shí)驗(yàn)室后若有人從窗戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室則紅外傳感器感應(yīng)到人體紅外線，振動(dòng)傳感器檢測到窗戶的振動(dòng)，聲音傳感器檢測到侵入人員的聲音信息，防盜節(jié)點(diǎn)給匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感器信息，匯聚節(jié)點(diǎn)分析數(shù)據(jù)后進(jìn)行蜂鳴器響報(bào)警起并且通過GPRS給管理員手機(jī)發(fā)送“有人從窗戶侵入”消息。

　　環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包括溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。DHT11溫濕度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的溫濕度情況[6]，光強(qiáng)傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的光照情況，火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)監(jiān)測。燈控溫控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收匯聚節(jié)點(diǎn)的控制信息進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)室的燈、空調(diào)、風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行智能控制。滅火控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收匯聚節(jié)點(diǎn)的控制信息，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，滅火控制節(jié)點(diǎn)開啟滅火噴頭進(jìn)行自動(dòng)滅火。無線考勤節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)RFID讀寫器刷卡考勤，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)期間登記實(shí)驗(yàn)室到勤學(xué)生信息。RFID讀寫器負(fù)責(zé)識(shí)別處于天線輻射范圍的電子標(biāo)簽信息并通過串口傳輸給ZigBee模塊并同時(shí)接收ZigBee模塊的控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽讀寫操作。

　　匯聚節(jié)點(diǎn)主要采集各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的傳感器信息并且通過廣播控制信息對(duì)控制ZigBee節(jié)點(diǎn)的工作，由于匯聚節(jié)點(diǎn)需要處理大量傳感器數(shù)據(jù)，因此采用STM32微控制器[7-8]作為中心處理器，ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)采集各節(jié)點(diǎn)的傳感器信息，STM32微控制器對(duì)各類數(shù)據(jù)信息刷選、編碼等處理，STM32微控制還包含額外一些傳感器電路，如攝像頭電路、藍(lán)牙檢測電路、GPRS電路、以太網(wǎng)通信電路。攝像頭主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境，GPRS電路和以太網(wǎng)通信電路為管理員遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備提供媒介。藍(lán)牙檢測電路主要是通過藍(lán)牙監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的各種攜帶低功耗藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，通過藍(lán)牙監(jiān)測模塊掃描設(shè)備的設(shè)備號(hào)從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)登記實(shí)驗(yàn)室設(shè)備情況。 　　2 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)

　　當(dāng)系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后利用ZigBee無線模塊可以持續(xù)得對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和控制，CC2530整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)核和微控制器，具有功耗低的特點(diǎn)，采用鋰電池通過LTC3440高效率開關(guān)電源電路對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行供電，其能量利用率高。ZigBee節(jié)點(diǎn)的原理圖如圖3。

　　LTC3440高效率開關(guān)電源電路如圖4。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　電子標(biāo)簽讀寫器主要采用紐扣電池供電，采用主動(dòng)式設(shè)計(jì)并通過RTC定時(shí)器喚醒使得RFID分別工作在掉電、休眠、發(fā)送和接收四種模式，以此降低RFID讀寫器的能耗，采用了載波偵聽和防碰撞算法避免標(biāo)簽相互干擾提高RFID讀寫精度。

　　STM32的軟件流程圖如圖5。

　　藍(lán)牙技術(shù)作為一種低功耗、低成本、近距離的無線通信技術(shù)采用跳頻和時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信[9-10]。通過藍(lán)牙主機(jī)對(duì)配置在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上的藍(lán)牙從機(jī)進(jìn)行設(shè)備碼和RSSI定位，然后通過STM32微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和定位計(jì)算后通過以太網(wǎng)通信模塊將設(shè)備具體信息傳送到服務(wù)器以及互聯(lián)網(wǎng)，方便管理員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)備藍(lán)牙定位和設(shè)備信息獲取采用RSSI估算從機(jī)設(shè)備與主機(jī)的距離，當(dāng)距離大于設(shè)定的距離閾值時(shí)，這表示設(shè)備離開實(shí)驗(yàn)室并在計(jì)算機(jī)上登記設(shè)備離開信息。藍(lán)牙主設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖6。

　　4 測試結(jié)果分析

　　藍(lán)牙主機(jī)檢測到的從機(jī)RSSI因藍(lán)牙的底層協(xié)議中會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率以及室內(nèi)環(huán)境中存在多徑效應(yīng)而隨時(shí)間變化較為劇烈，為了減輕環(huán)境影響，采用質(zhì)心定位算法在計(jì)算時(shí)先過濾掉小于一定閾值的RSSI，濾波后RSSI強(qiáng)度與距離的關(guān)系如圖7。

　　計(jì)算機(jī)端考勤信息登記界面如圖8。環(huán)境監(jiān)控報(bào)警界面如圖9。報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫錄入顯示界面如圖10。

　　5 總結(jié)

　　基于ZigBee和STM32的實(shí)驗(yàn)室無線遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建自組織區(qū)域無線物聯(lián)網(wǎng)，采用各類傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測、人員考勤，利用以太網(wǎng)功能和GPRS方便管理員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理，系統(tǒng)綜合了實(shí)驗(yàn)室考勤、環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備管理等功能并通過無線物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程便捷控制，大幅減少了管理人員的工作量，能夠很好實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室綜合管理和信息共享。

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