基于ZigBee技术的大型仪器设备管理系统

基于ZigBee技术的大型仪器设备管理系统
梁志明;李磊;梁仕文
【摘要】There are a large number of large-scale instruments and equipment which have expensive price in the university and research institute. The management of these instruments and equipment will spend a lot of time and energy of the managers. It often happens that the instruments and equipment are left unused, lost or damaged because of the poor management. This paper presents a management system for the large-scale instruments and equipment based on ZigBee wireless sensor network technology, which can resolve these problems. Electronic labels are equipped to the object instruments and equipment,and the information is obtained by using ZigBee and Ethernet technology. Through this system, the real-time information of the instruments and equipment, such as running state, location and using rate, can be monitored, which also can lay a foundation for setting up networked instruments sharing platform in the future.%全国各类高等院校以及科研单位拥有众多的实验室和大量价格昂贵的大型仪器设备,这些仪器设备从购买、上账到日常的维护,都需要管理者投入大量的时间和精力.由于管理不善所造成的设备闲置、丢失、完好率下降或者账物不符的情况经常发生.提出了一种利用ZigBee无线传感器网络技术进行大型仪器设备管理的方法.每台仪器设备配置一个电子标签,通过ZigBee自组网技术和以太网传输技术,组成网络化的管理模式.使用该系统,可以实时监测仪器设备的运行状态、位置、使用情况等信息,并为网络化的仪器设备共享平台的建立提供基础.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2011(028)012
【总页数】5页(P100-103,115)
【关键词】大型仪器设备管理系统;ZigBee;CC2430;无线传感器网络;设备管理;物
联网
【作者】梁志明;李磊;梁仕文
【作者单位】华南理工大学电子与信息学院,广东广州 510640;华南理工大学电子
与信息学院,广东广州 510640;华南理工大学电子与信息学院,广东广州 510640【正文语种】中文
【中图分类】TP393
Abstract：There are a large number of large-scale instruments and equipment which have expensive price in the university and research institute.The management of these instruments and equipment will spend
a lot of time and energy of the managers.It often happens that the instruments and equipment are left unused，lost or damaged because of the poor management.This paper presents a management system for the large-scale instruments and equipment based on ZigBee wireless sensor network technology，which can resolve these problems.Electronic labels are equipped to the object instruments and equipment，and the information is obtained by using ZigBee and Ethernet technology.Through this system，the real-time information of the instruments and equipment，
such as running state，location and using rate，can be monitored，which also can lay a foundation for setting up networked instruments sharing platform in the future.
Key words：a management system for large-scale instruments and equipment；ZigBee；CC2430；wireless sensor network；equipment management；Internet of things
实验室是进行实验教学和科学研究的重要基地，拥有大量的大型仪器设备，由于仪器设备使用年限较长、空间分布离散性较大、使用单位调整等多种原因，造成有些仪器设备的监管、查找较困难。

在进行设备核查时，管理人员需要花大量时间进行仪器设备的查找、固定资产编号和规格对照等工作。

这样既浪费了管理人员的时间和精力，又不能保证设备管理过程的可靠性和及时性。

另外，由于缺乏对仪器设备使用人员的培训，造成很多大型贵重仪器设备的闲置。

因此，如何加强对大型贵重仪器设备的管理，方便对大型仪器设备的核查以及使用情况的监管，是很重要的问题。

针对以上问题，本文提出利用电子技术、网络技术来加强大型仪器设备管理的方法。

ZigBee技术［1］采用IEEE 802.15.4［2］无线通信协议规范，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。

ZigBee技术依据IEEE802.15.4，可以在数千个微小的传感器之间相互协调，实现通信［3］。

它是一种低功耗、低速率、高稳定性的自组织网，同时可通过128bit AES（高级加密标准）加密［4］，提高数据传输的安全性。

ZigBee可采用星状、簇树状和网状网络结构［5］，其网络容量可达6.5万个设备节点，簇树状网络拓扑如图1所示。

在整个网络范围内，由协调器管理整个网络，每个设备端点可通过路由多跳实现相互通信［6］。

本系统采用的Zigbee标准工作在2.4GHz的免费波段，其可靠性和保密性可保证
与单位内其他无线收发设备互不干扰［7］。

在该系统中，ZigBee作为信息数据
获取的主要方式，它的稳定性和可靠性直接影响着系统运行的整体性能。

该系统采用TI公司的CC2430ZigBee SOC解决方案［8］，同时对 TI提供的Z-
Stack1.4.3协议栈进行了优化设计，在实际的设计过程中采取以下方法。

CC2430工作在2.4GHz的ISM频段，工作频率较高，ZigBee协议栈程序在其内部增强型51处理器中运行［9］。

为了保证CC2430内部处理器以及射频末端电
路工作的稳定性，提高CC2430长期运行的可靠性，在芯片工作电源的设计上采
用AC-DC开关隔离、DC-DC开关稳压和LDO线性稳压相结合的供电方式。

如图2所示，220V的交流电经过AC-DC隔离开关电源得到1组约为12V的直流低压；然后经过降压型DC-DC开关稳压电路得到5V的电压；再经过LDO线性稳压电
路得到3.3V的电压，此电压对CC2430电路模块进行供电。

ZigBee电路模块以
外的硬件电路则直接由DC-DC开关稳压电路所得的5V电压供电。

采用这种供电方式，可以大幅度降低电网尖峰脉冲对CC2430电路的干扰，保证了系统的稳定
运行。

CC2430内嵌的处理器核在长期工作的过程中，不可避免会出现如电网尖峰脉冲等干扰，造成程序“跑飞”。

当协调器、路由器或端点因干扰或者其他原因死机时，看门狗将自动重启程序，从而恢复设备的网络功能。

当ZigBee网络中的协调器和路由器同时出现故障时，与其进行直接通信的节点将失去网络信标，从而导致网络瘫痪。

为了增强系统在网络发生异常时的自愈功能，保证系统的稳定工作，本系统在端点程序中增加了ZigBee网络的自恢复功能。

网络自恢复流程如图3所示：在周期事件中定时获取网络状态信息，当发现网络异
常时则发送网络异常事件，在网络异常事件中启动加入网络程序，并不断测试是否已成功加入网络，若加入网络成功则结束网络异常事件，并返回正常运行状态。

CC2430硬件支持128bit的AES加密算法，在协议栈中避开相同设备的干扰，防
止被其他设备监听，提高网络的安全性。

Z-stack已经在协议栈中实现了AES加
密算法，把配置文件f8wConfig.cfg中参数SECURE的定义值从“0”改为“1”，就可以直接开启这个服务；把ZGlobals.c文件中变量zgPreConfigKeys的赋值从“FALSE”改为“TRUE”，为协调器、路由器和端点程序预先配置相同的128bit 密匙。

ZigBee技术作为一种新型的无线数据传输方式，在仪器设备管理中的应用除了需
要一套完善的软硬件管理系统外，还需要设备管理职能部门和实验室管理人员的紧密合作，因此其实现是一项系统而庞大的工程。

本文以一个学院级单位的仪器设备管理为例，建立了一个完整的、基于ZigBee无线传感器网络的大型仪器设备管理示范系统。

为了使该仪器设备管理系统所能够覆盖的监测空间范围更广泛，在数据传输设计上采用ZigBee和以太网相结合的方式。

在学校和各科研单位中，以太网是现成的数据传输媒介，具有广泛的分布空间，以此为基础采用ZigBee技术，构建设备管理网络，则可以避免单位内部因空间布线而增加的施工难度，节省在各个监测点上采用以太网传输所占用的IP资源；并且利用ZigBee的自组织功能，设备端点在无
线网络覆盖范围内可随时随地加入ZigBee网络，实现设备分布的离散性管理。

如图4所示，把单位内一个大的监测空间划分成多个监测区域，各个监测区域通过
以太网和数据管理服务器建立数据连接，形成一个大型的监测环境。

在实际的工程应用中，可以灵活设定单位内部的单个实验大楼或者实验大楼中的单个楼层为一个监测区域。

采用ZigBee的监测区域数据传输模型如图5所示。

设备的数据信息通过ZigBee
模块采用无线的方式进行采集，在最顶层的模块把所有收集的数据通过以太网的方式连接到因特网，以便采用计算机（数据管理服务器）实现更远距离的数据传输和信息管理。

监测模块的结构如图6所示，监测模块包括Zig-Bee无线模块、ID卡［10］读卡器、设备信息管理、电流互感器、电源开关、运行状态检测以及电源电路模块7个部分。

系统采用非接触，只读式ID卡来识别用户身份，具有生产成本低、稳定性好及使用寿命长的特点；读卡器采用插入式卡槽来使ID卡在用户操作设备过程中能较稳定地保持在读卡范围内。

设备信息管理模块存储着该设备的相关信息，如固定资产编号、设备名称、设备型号、设备条码、出厂日期、设备所在单位以及设备管理员等。

用户需要通过ID卡读卡器来确认是否具有使用权限，具有使用权限的用户才可以启动该设备。

用户信息和ID卡卡号一起绑定存储在数据管理服务器上；需要使用该设备时，用户把ID卡插入读卡器卡槽进行连续读卡，ID卡卡号上传到数据管理服务器进行用户身份确认；如果查得该用户有该设备的使用权限，服务器则发送命令开启电源开关，用户可对设备进行操作；若ID卡离开卡槽后，监测模块将发出警告信号提醒用户该设备将被关闭，若读卡器在提醒超时仍未读取到有效ID卡卡号，监测模块则关闭电源开关，切断设备供电，并把该异常关机事件传输至数据管理服务器进行记录。

在用户使用设备的过程中，设备运行状态检测模块通过检测设备的实时电流消耗状况来判断设备是否在被使用，结合ID卡读卡器的读卡信息，得知该设备的使用记录及使用率。

监测模块通过电流互感器的形式检测设备的运行状态，采用串接的方式嵌入到设备核心系统的电源通路上，模块的安装无需对设备核心系统进行改动。

监测模块上存储的相关信息可通过数据管理服务器，经以太网和ZigBee无线模块进行配置。

设备信息以及设备的运行状态通过ZigBee无线模块向外发送，经以太网传输到数据管理服务器上。

服务器的设备信息数据库结构如图7所示。

数据管理服务器对单位内所有的监测节点进行数据的采集，在服务器上建立数据库，对仪器设备的相关信息以及使用情
况进行管理，方便对仪器设备的核查、报废以及使用状态检测等管理。

在同一监测区域内部，ZigBee模块之间建网后使用同一网络ID，在管理系统内部，不同监测区域使用不同的网络ID；监测区域内部每个ZigBee模块具有不同的节点ID；在系统内部由网络ID和节点ID共同决定设备的唯一身份，和设备的相关信息一起存储在数据库中，方便设备的定位和设备信息的搜索。

服务器连接到因特网，方便对仪器设备相关信息、使用情况等数据进行远程共享。

服务器端软件框架如图8所示。

软件主要分为3个部分：MySQL数据库、实时监测模块和模块。

实时监测模块采用Socket网络编程，与远程的以太网数据传输模块进行信息交换，组成C/S架构［11］，同时通过ODBC与后台MySQL数据库相连。

模块通过ODBC与后台MySQL数据库相连，为客户机浏览器准备Web页面，客户端通过浏览器访问服务器，组成B/S架构［12］。

通过浏览器，普通用户可以获取联网设备的名称、型号、使用地点、管理员等信息，实现设备信息的共享；管理员用户则可以查看各联网设备的实时运行状态、月份使用情况报表、季度使用情况报表以及年度使用情况报表等信息，方便对设备的使用情况进行监管。

采用该系统在作者所在单位内部建立示范系统，对单位内的大型仪器设备进行自动实时的监管，设备管理员只需要通过计算机上的Web浏览器就可以查看各联网设备的信息及使用情况，使日常的管理工作变得更加方便和轻松。

由于监测模块采用电流互感器串联的接入方式，因此模块的安装非常简捷，方便对设备的升级改造。

设备采用ZigBee无线传输的方式接入网络，在系统建立的过程中，无需进行重新布线或对设备的摆放位置进行移动。

并且由于ZigBee网络具有自组织性，网络的扩展性较强，因此对监测设备的增减较为方便。

示范系统经过一段时间的实际运行表明，ZigBee无线传感器网络在无需人工干预的情况下能够持续稳健地运行，设备的日常使用情况正常；设备的使用记录被保存
在数据管理服务器的数据库中，通过网页浏览直接生成打印报表，提高了设备使用记录的真实性和记录查询的方便性，增强了对大型实验仪器设备使用情况的监管力度。

无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息和传输网络链接在一起，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

该技术和计算机互联网技术的结合，形成了当代信息技术发展所产生的一个新概念——物联网［13］。

采用ZigBee无线传感器网络技术和计算机互联网技术进行大型仪器设备管理，不仅方便管理者对仪器设备的系统管理，而且还可以实现仪器设备信息共享，为提高大型仪器设备的利用率提供了一个便捷的平台。

在信息技术快速发展的今天，无线传感器网络必将成为大型仪器设备的管理的一个重要手段。

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