基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實驗室的研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的理念最早見于比爾蓋茨1995年的《未來之路》一書，但受限于當時的條件，并未引起重視叫物聯(lián)網(wǎng)的基本思想出現(xiàn)于20世紀90年代，但最近幾年才真正引起廣泛的關(guān)注。2005年，在突尼斯舉辦的信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》，提出了物聯(lián)網(wǎng)的正式名稱，并預(yù)測了物聯(lián)網(wǎng)時代的到來［%2009年，奧巴馬與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行的“圓桌會議”上，IBM總裁首次提出“智慧地球”這一概念，得到美國各界的高度關(guān)注，在世界范圍內(nèi)引起轟動。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，但是缺乏精確和公認的定義?！段锫?lián)網(wǎng)導(dǎo)論》認為：物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)叫

2009年，溫家寶總理在無錫視察時提出了“感知中國”這一重要戰(zhàn)略構(gòu)想，物聯(lián)網(wǎng)由此受到全社會的極大關(guān)注，各高校作為科研的重要基地，紛紛開展有關(guān)方面研究，甚至設(shè)立了相關(guān)專業(yè)。本課題準備對于如何借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行實驗室的智能化管理進行一定的研究，包括學(xué)生身份的認證、實驗裝置的自動管理、室內(nèi)環(huán)境信息的采集、遠程視頻監(jiān)控以及安全與能耗的管理等方面的內(nèi)容，為打造真正的智能實驗室提供一種可供參考的雛形。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1智能實驗室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

頂層是在服務(wù)器上使用WAMPServer或者LAMPServer快速搭建PHP集成環(huán)境，其中W和L指Windows或者Linux系統(tǒng)，其他分別是Apache網(wǎng)頁服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（或者數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）、PHP腳本語言。上位機利用套接字編程和嵌入式平臺進行TCP/IP通信，將嵌入式終端獲取的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入MySQL并且進行登錄信息的驗證,Web平臺顯示實時的狀態(tài)并且使用套接字編程向嵌入式終端發(fā)送控制命令。

中間層是嵌入式控制終端，負責統(tǒng)籌整個系統(tǒng)，同時與底層和頂層之間通信。接收來自無線傳感網(wǎng)和USB攝像頭的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行處理并且通過Internet上傳服務(wù)器，可以遠程通過服務(wù)器上的網(wǎng)頁進行查看和控制。

最底層是無線傳感網(wǎng)和USB攝像頭，通過ZigBee和溫濕度、煙霧、火光等傳感器組建無線傳感網(wǎng)，將實驗室的實時環(huán)境數(shù)據(jù)回傳嵌入式控制終端；RFID模塊用來進行學(xué)生身份的驗證；USB攝像頭用來監(jiān)控實驗室內(nèi)的情況，還可以拍照保存學(xué)生的實驗結(jié)果，方便老師遠程或者其他時間做出評價。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件示意圖如圖2所示。現(xiàn)將系統(tǒng)中的各個模塊進行說明。

圖2系統(tǒng)硬件示意圖

2.1主控CPU

嵌入式控制終端選用基于三星公司的16/32位RISC微處理器S3C2440A。S3C2440A采用了ARM920t的內(nèi)核,0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元，并在外擴SDRAM和FLASH的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的外圍電路。S3C2440的主頻高達400MHz，最高可以支持533MHz的工作頻率，完全可以滿足控制終端數(shù)據(jù)處理的需求。

2.2網(wǎng)絡(luò)接口

本部分電路選用DM9000芯片實現(xiàn)Internet的接口功能。DM9000是一款完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，有10/100M自適應(yīng)的PHY和4KDWORD值的SRAM,支持3.3V和5V的寬電壓工作。在本系統(tǒng)中DM9000采用16位模式工作，所以電路設(shè)計為以S3C2440A的16位總線方式對DM9000進行訪問，即數(shù)據(jù)總線D0?D15與芯片的SD0?SD15連接。

2.3串口接口

串口是計算機上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。通信使用3根線完成：①地線；②發(fā)送；③接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)，同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配。MAX3232是3.3V工作電源的RS-232轉(zhuǎn)換芯片，由于嵌入式模塊是3.3V系統(tǒng)，因此使用MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的串口接口功能。

2.4ZigBee模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗、可自組網(wǎng)的無線通信技術(shù)。由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷地為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強的可應(yīng)用性。本系統(tǒng)的ZigBee模塊基于TI公司的CC2431芯片，CC2431有一個無線定位跟蹤引擎，具有良好的定位性能，可以用來防止設(shè)備的丟失，運行ZigBee2006協(xié)議［8］。與嵌入式控制終端連接的ZigBee模塊作為coordinator，與其他各個子塊連接的作為router，組成無線傳感網(wǎng)。

2.5圖像采集模塊

本系統(tǒng)采用USB攝像頭作為遠程控制的監(jiān)測視頻采集部件，市面上的攝像頭品牌很多，采用的芯片和傳感器也各不相同，考慮到方便系統(tǒng)使用時的維護，需要采用價格便宜、接口簡單的攝像頭。中星微的64位攝像頭ZC301P具有130萬像素，采用高品質(zhì)的CMOS傳感器和不變形鏡頭，色彩逼真，圖像清晰，價格便宜，符合本系統(tǒng)的要求。嵌入式控制終端采用Linux-2.6內(nèi)核，包含該型號的攝像頭驅(qū)動，因此不需要移植驅(qū)動，方便了很多。

2.6RFID模塊

RFID技術(shù)是一種通信技術(shù)，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。為了實現(xiàn)自動化的管理，必須要進行學(xué)生身份的驗證。目前學(xué)生每個人都擁有“一卡通”，利用這一點，不但方便快捷，而且可以在以后的實際應(yīng)用過程中大大節(jié)省成本，實現(xiàn)資源的有效利用。

本系統(tǒng)的RFID模塊采用的是NXP公司推出的低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片MFRC522。MFRC522利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。模塊采用3.3V供電，通過SPI接口同無線傳感網(wǎng)中子節(jié)點的主控

本系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)傳感器組主要完成溫濕度檢測、防火檢測以及人員檢測的功能，因此包括四個模塊：濕溫度檢測模塊、火光檢測模塊、煙霧檢測模塊和熱釋電紅外模塊叫主控芯片采用Microchip公司的8位低功耗RISC架構(gòu)單片機PIC18F45K20。

(1)溫濕度檢測模塊

選用Sensifion生產(chǎn)的SHT15作為系統(tǒng)的濕度溫度檢測模塊。SHT15型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其中不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有14位的A/D轉(zhuǎn)換器和2線串行接口,能輸出經(jīng)過校準的相對濕度和溫度的串行數(shù)據(jù)。

(2)火光檢測模塊

選用日本HAMAMATSU公司R2868火焰?zhèn)鞲衅鞔钆渫鈬娐纷鳛橄到y(tǒng)的火光探測模塊，R2868稱為火焰發(fā)現(xiàn)者。在火星產(chǎn)生瞬間能夠準確地發(fā)現(xiàn)，并且對非可見光的高傳輸?shù)碾姇灛F(xiàn)象可以完全解除。R2868利用紫外線TRON通過金屬的光電效果和瓦斯乘法效果來發(fā)現(xiàn)火星源。它可以探測185?260個不同的狹窄光譜敏感源。它對可見光完全沒有感應(yīng),也不需要過濾任何可見光(不像半導(dǎo)體探測器)。它具有很小的體積和很寬敏感角度(擇向性)，并能快速準確地發(fā)現(xiàn)從火焰發(fā)出的弱紫外線(能夠探測5m或在稍遠處發(fā)現(xiàn)香煙點大小的火焰)。

(3)煙霧檢測模塊

選用Motorola公司的MC145012作為系統(tǒng)的煙霧探測模塊，配合濕度溫度檢測模塊SHT15可以及時地檢測火情。MC145012是一款帶I/O和瞬時圖形揚聲器驅(qū)動的光電煙霧探測IC,它包含復(fù)雜的低功率模擬電路和數(shù)字電路。此IC用一個紅外光電盒感測來自微小煙霧粒子或其他煙霧的散射光,以實現(xiàn)探測。當探測到煙霧時，脈動報警經(jīng)片上推挽驅(qū)動器和外部壓電傳感器發(fā)聲。

(4)熱釋電紅外模塊

選用德國PerkinElmer公司的LHI778探頭和集成芯片BISS0001作為系統(tǒng)的熱釋電紅外探測模塊。BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。

2.8電箱與門禁

電箱與門禁的電子鎖由分模塊的主控芯片PIC18F45K20通過繼電器進行操作。當前來做實驗的學(xué)生通過身份認證后,電子鎖彈開，學(xué)生可進入實驗室。同時，由嵌入式控制終端分配實驗裝置給當前學(xué)生，將此信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至分模塊，控制電箱打開相應(yīng)實驗裝置的電源。在學(xué)生確認實驗完畢或者熱釋電紅外模塊檢測到學(xué)生已離開后，則關(guān)斷相應(yīng)的電源。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3所示是控制終端和無線傳感網(wǎng)的軟件流程圖。

圖3控制終端和無線傳感網(wǎng)軟件流程圖

3.1嵌入式控制終端軟件設(shè)計

由于Linux系統(tǒng)的內(nèi)核效率高、緊湊性強、可靠性高、容易擴展，并且源代碼是公開的，因此在嵌入式控制終端的軟件設(shè)計中，選擇了Linux作為底層操作系統(tǒng)。Bootloader采用韓國Mizi公司的vivi,Linux內(nèi)核版本號為2.6.32,文件系統(tǒng)為yaffs文件系統(tǒng)［10］。

首先初始化整個系統(tǒng)；其次通過ZigBee獲取來自無線傳感網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息；然后建立面向連接的Socket通信機制，通過TCP協(xié)議將環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息發(fā)送到服務(wù)器,并且接收來自服務(wù)器的控制信息。當收到通過ZigBee傳來的學(xué)生射頻卡驗證信息時，通過TCP協(xié)議將此信息發(fā)送到服務(wù)器端，由服務(wù)器端上位機進行數(shù)據(jù)庫的檢索，然后根據(jù)接收到的檢索結(jié)果判斷是否打開門禁和分配實驗裝置。最后，當學(xué)生做完實驗或者提前離開的時候，可通過無線傳感網(wǎng)關(guān)斷實驗裝置電源。

3.2無線傳感網(wǎng)軟件設(shè)計

無線傳感網(wǎng)的軟件設(shè)計主要就是對PIC18F45K20微處理器系統(tǒng)進行程序設(shè)計。首先要對使用到的各項外設(shè)進行初始化，然后各分節(jié)點分別將各自的各項環(huán)境參數(shù)或狀態(tài)信息通過ZigBee發(fā)送到嵌入式控制終端的主節(jié)點，最后根據(jù)接收到的來自控制終端的信息做出相應(yīng)的動作，同時每隔一段時間進行一次定位，防止設(shè)備丟失。各分節(jié)點作為ZigBee協(xié)議中的router,具有相同的地位，且相互之間無需通信；同時，為了降低功耗，對于傳感器的響應(yīng)多采用中斷觸發(fā)的方式。

3.3服務(wù)器端軟件設(shè)計

服務(wù)器端的軟件設(shè)計中，采用Python設(shè)計上位機，負責通過TCP協(xié)議同嵌入式控制終端進行通信，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并且當有學(xué)生驗證信息傳來時，可以檢索數(shù)據(jù)庫進行核對。數(shù)據(jù)庫采用Mysql，存放來自于無線傳感網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息以及學(xué)生的驗證信息，并且可以進行成績和使用時間的統(tǒng)計。采用可以跨平臺的服務(wù)器端腳本技術(shù)PHP創(chuàng)建一個動態(tài)網(wǎng)頁，PHP跟Mysql之間的結(jié)合相當好，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。

圖4所示是服務(wù)器端的監(jiān)控頁面圖。

圖4服務(wù)器端監(jiān)控頁面

物聯(lián)網(wǎng)目前還處于起步階段，發(fā)展和完善還需要不少的時間，但是必將成為一種新的趨勢，為人們的工作和生活帶來極大的便利。本項目實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室的監(jiān)控系統(tǒng)，通過將網(wǎng)頁服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫架構(gòu)在通用服務(wù)器上減輕了下層的工作量，提升了速度和性能，同時能夠加強系統(tǒng)的安全性。希望本項目能夠起到拋磚引玉的作用，為智能實驗室的研究者起到一些參考作用。

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