基于ZigBee的开放实验室无人值守监控系统设计

谢杰

摘要

介绍了关于开放实验室管理系统的设计思考，文章论述了一套在ZigBee的基础上开放，用于远程监控实验室的系统。使用短程无线技术ZigBee建立无线传输网络用于实验室内部，进行实时监控门窗磁，烟雾，火焰和人体红外线等具体的安防参考数据。具体检测数据将从专用协调器经过GSM模块系统以短信的形式发送到使用者手机上，真正的实现实验室实时远程监控，对开放实验室无人值守监控系统的探究提供有益借鉴和研究。

【关键词】无人值守 ZigBee 设计思考

随着不断地创新实验室教学变革，提高学生的实践能力与整体水平，开放实验室也都成为了高校实验室不可或缺的一部分，为学生展开各项实验活动创造了一个自由发展的环境，不过实验室的管理系统并不完善。为提升开放实验室的使用和管理，使值班教师的工作量相对减少，于是，实验室的开放管理，使得无人值守监控系统开始发展起来。

1 开放实验室的意义分析

开放实验室即充分尊重学生在学习过程中的自觉性，提高学生在实验室学习过程中的自我管理和自我学习的情况下，高校实验室在确保完成学校计划内的教学科研任务之外，积极使用高校实验室已有的各种信息以及各种资源和设备等，针对高校学生进行免费开放使用，进而为学生在课堂教学之外能够进行和学习有关的一切科学研究和自主实验学习等活动打下良好基础。现如今伴随高校正逐渐重视和加大对实验室的建设，我国高校中包括工科类高校的实验室资源已经非常丰富和完善，建立了不同种类的大型开放实验室实训基地，比如工程实训基地和一些相关的高级职业技能实践基地以及多媒体图书室等，很大程度地完善了学生在课堂后的学习，提高了高等学校的教育质量。

2 ZigBee技术介绍

ZigBee是一种新型的短程的、简单的、便宜的、性价比高的双向无线网络。十分适用于新型的智能家居和实验室等相对于数据量和信息不大的体系中。文中探讨的开放实验室无人值守体系，不受光照温度湿度等因素的影响，将安防系统作为重要因素，使系统简洁明了，通过ZigBee技术作为协调器网关，最大程度的利用ZigBee协调器功耗小的优点，不用接通实验室的强力电供电，仅仅借助电池就能够实现长时间运行，使无人值守真正的实现。对比市面上现有的各类有线以及无线网络通信技术，ZigBee技术是性价比最好高最合适的。同时由于Zigbee的数据速率低以及接力通信的优点，这也其在数据流量偏小的业务中的优势。

3 Zigee网络在实验室管理中的应用

在现实应用中，实验室管理员可以把远程计算机放在自己的工作办公室以及居住地等容易操作的位置，开放实验室的考勤管理以及实时监控数据都体现在远程計算机上。可以在实验室的墙壁上安置主节点，而在改装后的实验室电子端上设置子节点，在实验室的门上安置射频卡读卡器，使用开放实验室的学生必须使用同一的卡才能进入开放实验室，刷卡之后10秒，主节点的门会立即关闭，后面来的学生想要继续进入必须再次刷卡，在正对着主节点硬件门的墙壁吊顶上安置视频监控器，用于实时监控当进入的学生，当实验室们打开时实施抓拍照片。另外实时监控抓拍的照片跟读卡器读出的学生学号等相关信息为了集中的考勤记录和管理全部发往在程序中设定的电子邮箱地址或远程服务端。在学生刷卡进入之后，实验室的空调和窗帘以及照明系统将会按照程序中设定好的模式启动。此外，实验室的学生以及实验室管理者都能通过Zigbee技术后期实时的查看和修改开放实验室各仪器和设备的模式和工作参数，比如可以改变空调开启时的温度，扫风模式，多功能钟的时间和模式等。在实验室的学生离开时，将ZigBee主节点的关闭功能打开，这时实验室相关的设备将停止工作。而与学生有区别的是，实验室管理者在拥有以上权限的操作之外，还能够通过远程计算端使用线上网络对开放实验室的主节点进行访问，使用ZigBee网络管理查看实验室各设备的运行状况，实验室管理者还能够调取近期进入开放实验室学生的进入相片记录和考勤记录。

4 系统软件设计

ZigBee无线网络通信软件系统是在TI公司的z-Stack 2007协议栈上完成的软件系统，应用了星形网络拓扑的构造。

网络协调器在ZigBee网络中扮演了管理者和后期维护者的角色，网络协调器用于打造一个ZigBee网络系统，进而通过这个软件实现相关数据通信的想法。协调器连接电之后，会先进行网络硬件初始化扫描，然后通过一系列的信道扫描工作，寻找合适的空闲信道，进而由它建立一个此工作界限内所不具有的网络信号，生成一个专属的ZigBee无线通信网络。最后测试进入网络内部需求的终端节点是否符合要求是否合法，判断之后等待终端节点进入网络并进行保护。在有合法的终端节点进入Zigbee终端网络后，便进入轮询等待终端发出消息的状态，进而实现实时接收终端节点发送的相关数据，经过终端串口传输到GSM模块进行处理，反之也能够收到传自GSM模块终端的数据，传输到终端节点。

在网络系统中内含多个ZigBee终端网络节点，而每个节点依据具体指令分成了不同的控制模块或者是相关的传感器模块，通过将传感器终端接受到的数据传输给协调器上，或执行协调器命令的形式，来要求相对应的终端设备进行工作。在无线通信网络部分，终端节点端的程序设备功能是相同的。终端节点设备在连接上电之后，会先进入系统初始化的程序，然后传输加入网络请求信号给协调器节点，在建立好网络之后便收集传感器的命令发送给网络协调器，若没有传感器信号或者收集结束之后进入休眠模式，节省传感器的电量，收到采集任务便会立即唤醒，进人正常工作状态，依据协调器命令操作，操作规定的设备终端控制任务或进行数据采集，任务结束后再次进入休眠模式。

5 总结

总而言之，开放实验室系统设计作为一项较为繁琐的系统性工作，包含实验室的完整体系架构系统和对应的数据库设计等各式各样的内容，就要求相关设计管理者具有系统性的思考方式，将开放实验室无人值守监控系统的完善努力做好，以实现开放实验室的全方位远程实时监控，这也提升了高校开放实验室的系统有效运行，提升了开放实验室发展的实际应用功能，同时为高等学校实验教学质量的不断提高奠定了夯实的基础。

参考文献

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