职称论文发表基于ZigBee和STM32的实验室无线远程管理系统

　　针对于目前实验室人工考勤管理效率低、设备管理难度大、防盗、防火灾仅靠人工轮值巡查很难实现实时监测和实验室节能等问题，一种提出了基于ZigBee和STM32的实验室远程管理系统。本文是一篇职称论文发表范文，主要论述了基于ZigBee和STM32的实验室无线远程管理系统。
　　摘要：针对于人工完成实验室考勤工作量大、实验室防盗、防火灾、设备管理、环境控制自动化实现效率低等问题，提出了基于ZigBee和STM32的实验室无线远程管理系统。系统利用RFID读写器实现门禁控制、到勤登记，利用GPRS和以太网网络功能实现实验室远程控制和管理，利用各类传感器进行防盗监测、环境监测和火灾监测，利用CC2541蓝牙节点设备码检测功能和RSSI定位能力实现实验室设备出入登记管理，利用ZigBee的无线组网通信特性以及GPRS、TCP通信实现实验室无线远程管理。

　　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.

　　关键词： ZigBee,STM32,远程,管理,监测

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

　　0 引言

　　ZigBee技术作为双向无线通信技术，成为现在无线监控等领域的应用研究热点[1-2]，并结合STM32较强的数据处理能力和GPRS和以太网的远程通信能力，借助于RFID读写器的电子标签读写能力和蓝牙设备检测能力，达到实验室远程管理、设备管理、考勤管理、防盗监测、火灾监测、实验室节能等目的。系统的整体设计图如图1。

　　1 ZigBee节点设计

　　门禁节点主要功能包括管理员刷卡门锁控制、外人拜访门铃通知和门锁防盗监测。结构图如图2。通过RFID读写器识别卡号并与计算机数据库里管理员卡号比对若为管理员则门自动开启，外来人员可以通过门铃按钮通知实验室人员开门若一段时间后还没人开门则会通过GPRS发送“有人拜访”消息[3]，管理员可以通过手机短信控制门锁开关。当管理员刷卡离开实验室后开启防盗模式，若有人撬门侵入，则人体红外传感器、振动传感器和声音检测传感器检测到侵入信息[4-5]，蜂鸣器报警并通过GPRS自动发送“有人侵入”信息给管理员报警。

　　防盗节点主要包括振动传感器、人体红外传感器、声音传感器。防盗节点置于窗户边缘，在管理员刷卡离开实验室后若有人从窗户进入实验室则红外传感器感应到人体红外线，振动传感器检测到窗户的振动，声音传感器检测到侵入人员的声音信息，防盗节点给汇聚节点发送传感器信息，汇聚节点分析数据后进行蜂鸣器响报警起并且通过GPRS给管理员手机发送“有人从窗户侵入”消息。

　　环境监测节点包括温湿度传感器、光强传感器、火焰传感器和烟雾传感器。DHT11温湿度传感器负责监测实验室的温湿度情况[6]，光强传感器负责监测实验室的光照情况，火焰传感器和烟雾传感器负责进行实验室火灾监测。灯控温控节点负责接收汇聚节点的控制信息进而对实验室的灯、空调、风扇等设备进行智能控制。灭火控制节点负责接收汇聚节点的控制信息，当有火灾发生时，灭火控制节点开启灭火喷头进行自动灭火。无线考勤节点负责RFID读写器刷卡考勤，在实验室实验期间登记实验室到勤学生信息。RFID读写器负责识别处于天线辐射范围的电子标签信息并通过串口传输给ZigBee模块并同时接收ZigBee模块的控制信息实现对电子标签读写操作。

　　汇聚节点主要采集各个ZigBee节点的传感器信息并且通过广播控制信息对控制ZigBee节点的工作，由于汇聚节点需要处理大量传感器数据，因此采用STM32微控制器[7-8]作为中心处理器，ZigBee协调器主要负责采集各节点的传感器信息，STM32微控制器对各类数据信息刷选、编码等处理，STM32微控制还包含额外一些传感器电路，如摄像头电路、蓝牙检测电路、GPRS电路、以太网通信电路。摄像头主要负责实时监测实验室内部环境，GPRS电路和以太网通信电路为管理员远程控制实验室设备提供媒介。蓝牙检测电路主要是通过蓝牙监测实验室的各种携带低功耗蓝牙节点的设备，通过蓝牙监测模块扫描设备的设备号从而实现实时登记实验室设备情况。　　2 ZigBee无线模块设计

　　当系统汇聚节点对数据进行处理后利用ZigBee无线模块可以持续得对终端节点进行监测和控制，CC2530整合了ZigBee射频前端、内核和微控制器，具有功耗低的特点，采用锂电池通过LTC3440高效率开关电源电路对ZigBee模块进行供电，其能量利用率高。ZigBee节点的原理图如图3。

　　LTC3440高效率开关电源电路如图4。

　　3 系统软件设计

　　电子标签读写器主要采用纽扣电池供电，采用主动式设计并通过RTC定时器唤醒使得RFID分别工作在掉电、休眠、发送和接收四种模式，以此降低RFID读写器的能耗，采用了载波侦听和防碰撞算法避免标签相互干扰提高RFID读写精度。

　　STM32的软件流程图如图5。
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　　蓝牙技术作为一种低功耗、低成本、近距离的无线通信技术采用跳频和时分复用技术实现点对多点通信[9-10]。通过蓝牙主机对配置在实验室设备上的蓝牙从机进行设备码和RSSI定位，然后通过STM32微控制器进行数据处理和定位计算后通过以太网通信模块将设备具体信息传送到服务器以及互联网，方便管理员进行网络远程监控。设备蓝牙定位和设备信息获取采用RSSI估算从机设备与主机的距离，当距离大于设定的距离阈值时，这表示设备离开实验室并在计算机上登记设备离开信息。蓝牙主设备软件实现流程图如图6。

　　4 测试结果分析

　　蓝牙主机检测到的从机RSSI因蓝牙的底层协议中会根据需要自动调节发射功率以及室内环境中存在多径效应而随时间变化较为剧烈，为了减轻环境影响，采用质心定位算法在计算时先过滤掉小于一定阈值的RSSI，滤波后RSSI强度与距离的关系如图7。

　　计算机端考勤信息登记界面如图8。环境监控报警界面如图9。报警信息数据库录入显示界面如图10。

　　5 总结

　　基于ZigBee和STM32的实验室无线远程管理系统采用ZigBee技术构建自组织区域无线物联网，采用各类传感器进行环境监测、人员考勤，利用以太网功能和GPRS方便管理员进行远程监控，利用蓝牙技术实现实验室设备管理，系统综合了实验室考勤、环境监控、设备管理等功能并通过无线物联网、互联网和GPRS实现远程便捷控制，大幅减少了管理人员的工作量，能够很好实现实验室综合管理和信息共享。

　　参考文献：

　　[1]彭燕.基于 ZigBee 的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34(5)：49-51.

　　[2]吴芳，刘亚利，马昌喜.基于 GPRS 的危险货物仓储环境实时监测系统[J].北京理工大学学报，2013，33(8)：806 -810.

　　[3]伍连明，陈世无.基于GPRS的远程数据采集模块[J].现代电子技术，2009(3)：25-28.

　　[4]邓和莲.热释电红外防盗系统的设计[J].机械工程与自动化，2008(2)：143-145.

　　[5]许青，刘方.基于ARM9的室内无线监控报警系统设计与实现[J].电子科技，2013(2)：103-106.

　　[6]广州奥松电子有限公司.数字温湿度传感器DHTll说明书[M].2009.

　　[7]王永虹.徐炜，郝立平.STM32系列ARM Collex―M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
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