基于物联网技术的智能实验室的研究

引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的理念最早见于比尔盖茨1995年的《未来之路》一书，但受限于当时的条件，并未引起重视叫物联网的基本思想出现于20世纪90年代，但最近几年才真正引起广泛的关注。2005年，在突尼斯举办的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》，提出了物联网的正式名称，并预测了物联网时代的到来［%2009年，奥巴马与美国工商业领袖举行的“圆桌会议”上，IBM总裁首次提出“智慧地球”这一概念，得到美国各界的高度关注，在世界范围内引起轰动。物联网顾名思义就是“物物相连的互联网”，但是缺乏精确和公认的定义。《物联网导论》认为：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络叫

2009年，温家宝总理在无锡视察时提出了“感知中国”这一重要战略构想，物联网由此受到全社会的极大关注，各高校作为科研的重要基地，纷纷开展有关方面研究，甚至设立了相关专业。本课题准备对于如何借助物联网技术进行实验室的智能化管理进行一定的研究，包括学生身份的认证、实验装置的自动管理、室内环境信息的采集、远程视频监控以及安全与能耗的管理等方面的内容，为打造真正的智能实验室提供一种可供参考的雏形。

1系统概述

本系统采用三层结构，总体架构如图1所示。

图1智能实验室控制系统结构图

顶层是在服务器上使用WAMPServer或者LAMPServer快速搭建PHP集成环境，其中W和L指Windows或者Linux系统，其他分别是Apache网页服务器、MySQL数据库管理系统（或者数据库服务器）、PHP脚本语言。上位机利用套接字编程和嵌入式平台进行TCP/IP通信，将嵌入式终端获取的实时状态数据写入MySQL并且进行登录信息的验证,Web平台显示实时的状态并且使用套接字编程向嵌入式终端发送控制命令。

中间层是嵌入式控制终端，负责统筹整个系统，同时与底层和顶层之间通信。接收来自无线传感网和USB摄像头的环境数据，进行处理并且通过Internet上传服务器，可以远程通过服务器上的网页进行查看和控制。

最底层是无线传感网和USB摄像头，通过ZigBee和温湿度、烟雾、火光等传感器组建无线传感网，将实验室的实时环境数据回传嵌入式控制终端；RFID模块用来进行学生身份的验证；USB摄像头用来监控实验室内的情况，还可以拍照保存学生的实验结果，方便老师远程或者其他时间做出评价。

2系统硬件设计

本系统的硬件示意图如图2所示。现将系统中的各个模块进行说明。

图2系统硬件示意图

2.1主控CPU

嵌入式控制终端选用基于三星公司的16/32位RISC微处理器S3C2440A。S3C2440A采用了ARM920t的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元，并在外扩SDRAM和FLASH的基础上设计相应的外围电路。S3C2440的主频高达400MHz，最高可以支持533MHz的工作频率，完全可以满足控制终端数据处理的需求。

2.2网络接口

本部分电路选用DM9000芯片实现Internet的接口功能。DM9000是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网MAC控制器，有10/100M自适应的PHY和4KDWORD值的SRAM,支持3.3V和5V的宽电压工作。在本系统中DM9000采用16位模式工作，所以电路设计为以S3C2440A的16位总线方式对DM9000进行访问，即数据总线D0〜D15与芯片的SD0〜SD15连接。

2.3串口接口

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。通信使用3根线完成：①地线；②发送；③接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据，同时在另一根线上接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。MAX3232是3.3V工作电源的RS-232转换芯片，由于嵌入式模块是3.3V系统，因此使用MAX3232进行电平转换，从而实现系统的串口接口功能。

2.4ZigBee模块

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗、可自组网的无线通信技术。由于其网络可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。本系统的ZigBee模块基于TI公司的CC2431芯片，CC2431有一个无线定位跟踪引擎，具有良好的定位性能，可以用来防止设备的丢失，运行ZigBee2006协议［8］。与嵌入式控制终端连接的ZigBee模块作为coordinator，与其他各个子块连接的作为router，组成无线传感网。

2.5图像采集模块

本系统采用USB摄像头作为远程控制的监测视频采集部件，市面上的摄像头品牌很多，采用的芯片和传感器也各不相同，考虑到方便系统使用时的维护，需要采用价格便宜、接口简单的摄像头。中星微的64位摄像头ZC301P具有130万像素，采用高品质的CMOS传感器和不变形镜头，色彩逼真，图像清晰，价格便宜，符合本系统的要求。嵌入式控制终端采用Linux-2.6内核，包含该型号的摄像头驱动，因此不需要移植驱动，方便了很多。

2.6RFID模块

RFID技术是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。为了实现自动化的管理，必须要进行学生身份的验证。目前学生每个人都拥有“一卡通”，利用这一点，不但方便快捷，而且可以在以后的实际应用过程中大大节省成本，实现资源的有效利用。

本系统的RFID模块采用的是NXP公司推出的低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片MFRC522。MFRC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。模块采用3.3V供电，通过SPI接口同无线传感网中子节点的主控

本系统的环境参数传感器组主要完成温湿度检测、防火检测以及人员检测的功能，因此包括四个模块：湿温度检测模块、火光检测模块、烟雾检测模块和热释电红外模块叫主控芯片采用Microchip公司的8位低功耗RISC架构单片机PIC18F45K20。

(1)温湿度检测模块

选用Sensifion生产的SHT15作为系统的湿度温度检测模块。SHT15型传感器是单片、多用途的智能传感器，其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器，而且还有14位的A/D转换器和2线串行接口,能输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据。

(2)火光检测模块

选用日本HAMAMATSU公司R2868火焰传感器搭配外围电路作为系统的火光探测模块，R2868称为火焰发现者。在火星产生瞬间能够准确地发现，并且对非可见光的高传输的电晕现象可以完全解除。R2868利用紫外线TRON通过金属的光电效果和瓦斯乘法效果来发现火星源。它可以探测185〜260个不同的狭窄光谱敏感源。它对可见光完全没有感应,也不需要过滤任何可见光(不像半导体探测器)。它具有很小的体积和很宽敏感角度(择向性)，并能快速准确地发现从火焰发出的弱紫外线(能够探测5m或在稍远处发现香烟点大小的火焰)。

(3)烟雾检测模块

选用Motorola公司的MC145012作为系统的烟雾探测模块，配合湿度温度检测模块SHT15可以及时地检测火情。MC145012是一款带I/O和瞬时图形扬声器驱动的光电烟雾探测IC,它包含复杂的低功率模拟电路和数字电路。此IC用一个红外光电盒感测来自微小烟雾粒子或其他烟雾的散射光,以实现探测。当探测到烟雾时，脉动报警经片上推挽驱动器和外部压电传感器发声。

(4)热释电红外模块

选用德国PerkinElmer公司的LHI778探头和集成芯片BISS0001作为系统的热释电红外探测模块。BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

2.8电箱与门禁

电箱与门禁的电子锁由分模块的主控芯片PIC18F45K20通过继电器进行操作。当前来做实验的学生通过身份认证后,电子锁弹开，学生可进入实验室。同时，由嵌入式控制终端分配实验装置给当前学生，将此信息通过ZigBee网络发送至分模块，控制电箱打开相应实验装置的电源。在学生确认实验完毕或者热释电红外模块检测到学生已离开后，则关断相应的电源。

3系统软件设计

图3所示是控制终端和无线传感网的软件流程图。

图3控制终端和无线传感网软件流程图

3.1嵌入式控制终端软件设计

由于Linux系统的内核效率高、紧凑性强、可靠性高、容易扩展，并且源代码是公开的，因此在嵌入式控制终端的软件设计中，选择了Linux作为底层操作系统。Bootloader采用韩国Mizi公司的vivi,Linux内核版本号为2.6.32,文件系统为yaffs文件系统［10］。

首先初始化整个系统；其次通过ZigBee获取来自无线传感网的环境参数和状态信息；然后建立面向连接的Socket通信机制，通过TCP协议将环境参数和状态信息发送到服务器,并且接收来自服务器的控制信息。当收到通过ZigBee传来的学生射频卡验证信息时，通过TCP协议将此信息发送到服务器端，由服务器端上位机进行数据库的检索，然后根据接收到的检索结果判断是否打开门禁和分配实验装置。最后，当学生做完实验或者提前离开的时候，可通过无线传感网关断实验装置电源。

3.2无线传感网软件设计

无线传感网的软件设计主要就是对PIC18F45K20微处理器系统进行程序设计。首先要对使用到的各项外设进行初始化，然后各分节点分别将各自的各项环境参数或状态信息通过ZigBee发送到嵌入式控制终端的主节点，最后根据接收到的来自控制终端的信息做出相应的动作，同时每隔一段时间进行一次定位，防止设备丢失。各分节点作为ZigBee协议中的router,具有相同的地位，且相互之间无需通信；同时，为了降低功耗，对于传感器的响应多采用中断触发的方式。

3.3服务器端软件设计

服务器端的软件设计中，采用Python设计上位机，负责通过TCP协议同嵌入式控制终端进行通信，将数据写入数据库，并且当有学生验证信息传来时，可以检索数据库进行核对。数据库采用Mysql，存放来自于无线传感网的环境参数和状态信息以及学生的验证信息，并且可以进行成绩和使用时间的统计。采用可以跨平台的服务器端脚本技术PHP创建一个动态网页，PHP跟Mysql之间的结合相当好，有利于整个系统的稳定和高效。

图4所示是服务器端的监控页面图。

图4服务器端监控页面

物联网目前还处于起步阶段，发展和完善还需要不少的时间，但是必将成为一种新的趋势，为人们的工作和生活带来极大的便利。本项目实现了一个基于物联网的智能实验室的监控系统，通过将网页服务器和数据库架构在通用服务器上减轻了下层的工作量，提升了速度和性能，同时能够加强系统的安全性。希望本项目能够起到抛砖引玉的作用，为智能实验室的研究者起到一些参考作用。

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