CN109934975A

CN109934975A - 一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统

Info

Publication number: CN109934975A
Application number: CN201811539748.3A
Authority: CN
Inventors: 康守强; 乔春阳; 王玉静; 谢金宝; 王庆岩
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: CN109934975B

Abstract

一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，涉及实验室智能化管控技术领域。本发明为了解决实验室管理的智能化问题。所述系统包括作为控制中心的ZigBee协调器、无线门禁、实验室学生专用设备的终端节点、实验室共用设备的终端节点、远程控制子系统；将ZigBee技术与云平台相结合，为参观人员进行多种语言的智能导游语音讲解。门禁系统利用ZigBee与NFC技术实现实验室智能门禁管理。管理人员可以通过Android客户端实现对实验室内基础设施与实验设备的远程控制。学生通过实验室网络管理子系统实现实验室的实时开放预约管理。实验验证本发明在提高实验室管理效率、加强实验室智能管理等方面具有较好的效果。

Description

一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统

技术领域

本发明涉及一种开放实验室智慧导游系统，涉及实验室智能化管控技术领域。

背景技术

高校实验室作为高校培养毕业生不可或缺的组成部分，越来越受到高校的重视。随着物联网技术的发展，实验室的基础设施和实验设备也趋于智能化，管理方式从传统的人工管理发展到智能管理^[1-2]，但在管理上还存在一定的局限性^[3-6]。有些管理系统只能作用于局域网内部，不能实现局域网外的远程控制，给实验室的管理带来很多不便^[7-9]。而且当学生首次进入实验室学习时，由于对实验设备不熟悉等原因，很容易产生错误操作而发生意外。当国外专家参观实验室时，由于语言上的障碍，陪同人员很难准确的对实验设备进行讲解。文献号为CN104346682A现有技术提供了一种基于IC卡流程的学校实验室智能管理系统，需要用户通过IC卡进行识别确认即可进入实验室进行相应实验设备的实验，实现了实验室的全天候开放，提高了工作效率和服务水平，但该文献没有提供电子导游功能，也没有实现远程控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，为了解决实验室管理的智能化问题、远程控制问题，以及当国外专家参观实验室时，由于语言上的障碍，陪同人员很难准确的对实验设备进行讲解的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，所述系统包括作为控制中心的ZigBee协调器、无线门禁、实验室学生专用设备的终端节点、实验室共用设备的终端节点、远程控制子系统；

无线门禁包括具有语言功能的触发端、非语言功能的触发端、RFID射频识别模块、ZigBee门禁终端节点；

实验室学生专用设备的终端节点包括一个或多个ZigBee照明终端节点和多个ZigBee设备终端节点；

实验室共用设备的终端节点包括多个ZigBee导游终端节点，每个ZigBee导游终端节点对应设有一个人体红外感应模块；

远程控制子系统包括Android客户端和云平台；

RFID射频识别模块识别具有语言功能的触发端，并将识别的身份信息通过I/O口传递给ZigBee门禁终端节点，ZigBee门禁终端节点将识别的信息与存储模块内信息进行比对并将比对结果发送给ZigBee协调器，比对成功后ZigBee协调器通过ZigBee门禁终端节点控制实验门打开，与此同时，通过ZigBee网络将实验室共用设备播报选用的语言信息发送给ZigBee协调器；当有人靠近某个人体红外感应模块时，把触发信息传送给该人体红外感应模块对应的ZigBee导游终端节点，该ZigBee导游终端节点通过ZigBee网络将其对应的设备号发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器根据所述语言信息和所述设备号通过I/O口发送给语音播报模块，语音播报模块采用相应语言对ZigBee导游终端节点对应的某台实验室共用设备进行介绍；

RFID射频识别模块识别非语言功能的触发端，并将识别的身份信息通过I/O口传递给ZigBee门禁终端节点，ZigBee门禁终端节点将识别的信息与存储模块内信息进行比对并将比对结果发送给ZigBee协调器，比对成功后ZigBee协调器通过ZigBee门禁终端节点控制实验门打开，ZigBee协调器根据识别的信息确定要控制的设备和照明灯的位置，然后通过一个或多个ZigBee照明终端节点控制实验室内对应的照明灯打开或关闭，ZigBee协调器通过ZigBee设备终端节点控制实验室内对应的设备打开或关闭；

Android客户端把远程控制指令(远程开关实验门、远程开关灯、远程开关设备、远程语音播报)上传到云平台，云平台把该指令实时推送到实验室内的服务主机(PC机)，服务主机通过串口与ZigBee协调器连接，当服务主机接收到云平台的指令推送后，服务主机的Linux系统自动拉取控制指令，并将所述控制指令以字符串的形式通过串口发送至ZigBee协调器，再经由ZigBee网络发送给实验室内ZigBee门禁终端节点、ZigBee照明终端节点、ZigBee设备终端节点以及语音播报模块，以实现远程控制。

进一步地，所述远程控制子系统包括Web服务器、MySQL数据库，Web服务器用于实验室的远程管理，Web服务器基于所述云平台和所述MySQL数据库实现管理功能；所述ZigBee协调器将其控制的各个终端节点的信号通过串口传给服务主机，再通过云平台传给所述的Web服务器进行记录，MySQL数据库用于存储Web服务器记录的数据。

进一步地，所述远程控制子系统包括交换机、视频监控设备，服务主机通过交换机对视频监控设备的数据进行读取，并对视频监控设备进行控制；Android客户端用户通过视频监控设备可实时查看实验室状况，并且在关键时间点进行抓拍，在Android端查询云平台中存储的过往一个月的监控画面。

进一步地，所述的人体红外感应模块为HC-SR501人体红外感应模块。

进一步地，具有语言功能的触发端为IC卡或NFC设备。

进一步地，非语言功能的触发端为IC卡或NFC设备。

进一步地，所述Android客户端由登陆界面和控制界面组成，Android客户端通过4G/WiFi来获取网络，使用者输入账号、密码登录App进入控制界面；控制界面共有五个按钮：由上至下依次为实时监控按钮、远程开关灯按钮、远程开关门按钮、远程控制电源按钮、远程播报按钮(对应图3中远程大电流设备按钮)；Android客户端在实现远程控制时，需在Android Mainfest.xml文件中设置获取联网权限以及mqtt协议相关权限。

进一步地，所述Web服务器还用于为师生提供实验室在线预约、学习资料在线发布、在线批改作业。

进一步地，所述ZigBee协调器的芯片型号为CC2530。

本发明的有益效果是：

本发明针对上述问题运用云平台技术，并结合ZigBee技术，实现对实验室基础设施与实验设备的远程智能管理。在Android环境下，开发用于远程控制实验室设备的App，同时利用Web技术搭建实验室网络管理子系统，方便实验室管理人员对实验室的管理，利用ZigBee技术，实现对实验设备的智能语音讲解。

本发明所述的基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统提高了实验室管理的智能化水平，将ZigBee技术与云平台技术相结合，为外来参观人员进行多种语言的智能导游语音讲解。门禁系统利用ZigBee与NFC技术实现实验室智能门禁管理。实验室管理人员可以通过Android客户端实现对实验室内基础设施与实验设备的远程控制。学生可以通过实验室网络管理子系统实现实验室的实时开放预约管理。实验验证所设计的系统在提高实验室管理效率、加强实验室智能管理等方面具有较好的效果。

附图说明

图1是本发明所述系统的整体结构框图，图2是信息系统学生登录界面(Web服务器上的界面)，图3是Android客户端控制界面，图4是电子导游系统结构图，图5是服务主机(PC机)端指令接收结果界面截图，图6串口调试结果图(上图为连接ZigBee门禁终端节点的测试电脑显示的有语言功能的IC卡的卡号，为界面截图；中图为连接ZigBee协调器的测试电脑显示的语言标志位用来选择播放的语言，为界面截图；下图为连接ZigBee导游终端节点的测试电脑显示有人靠近要播报的公用设备时的提示，为界面截图)，图7实现本发明所述系统的整体硬件照片图。

具体实施方式

结合附图1至7详细阐述本发明的实现过程：

1系统整体设计

系统由云平台、ZigBee设备、实验室网络管理子系统、Android客户端组成。ZigBee设备作为系统的核心组成部分，用于实现实验室的门、灯等常规设备控制功能和重要实验设备介绍的智能语音播报功能。云平台作为消息传输系统的中枢，实时对用户上传的信息监控，并予以反馈，实现4G/WIFI网络环境下的控制指令传输。信息系统综合利用Web技术、数据库等技术搭建网页，学生可以通过登录该网页查看实验室的使用情况，并在线预约实验室；教师可以通过登录该网页实现课程发布、课件发布、在线批改作业等操作；管理员可以通过登录该网页实现对实验室设备的远程控制。Android客户端通过加载阿里云SDK(Software Development Kit软件开发包)，实现手机端对实验室的监控和验室门、灯、电源以及大电流设备的远程控制。系统的整体结构框图如图1所示。

2云平台

云平台技术近年来在医药医疗、制造、教育科研、电信等领域发展迅速。系统利用云平台为设备端提供SDK，实现设备快速接入云端、管理设备权限，同时方便对数据的计算及存储处理。

1)设备的接入

信息传输前，将设备与云平台建立连接。由于本系统是基于MQTT协议进行实时性远距离消息传输，需要配置SDK的配置文件实现MQTT通道等开关的开启。

在云端创建设备后，将控制台的设备证书信息及用户定义好的需要操作的Topic对应配置在SDK上，编译SDK并运行程序，设备即接入云平台。

2)消息的上行传输

Android客户端向云平台传输消息属于消息的上行传输。上行传输需要在Android客户端配置相应的Android-SDK，对服务地址、通信协议、请求方法及请求参数进行设定。消息上行传输时，仍使用MQTT协议，连接建立后以JSON格式写入的命令。

3)云平台的数据转发

设备与设备的通信需要在云平台对不同Topic之间的消息数据进行转发。云平台将设备发送到Topic的数据根据用户需求转发到云服务器进行处理，实现不同Topic之间的消息转发。

4)消息的下行传输

云平台到设备端的通信是消息的下行传输。实验室PC端作为下行消息接收设备，对Android设备的消息进行循环订阅，从而实现消息的实时接收。

PC端设备接收到数据后通过Linux调用物理串口将消息传送给ZigBee协调器，至此PC端接收到的消息便可发送到ZigBee协调器。

3实验室网络管理子系统

信息系统的建立是基于高校实验室教学的实际需要。为师生提供实验室在线预约、学习资料在线发布、在线批改作业、远程管理实验室等服务。信息系统以Java为基础开发语言，依托云平台、MySQL数据库实现对高校实验室的远程化、智能化管理。信息系统由教学管理系统、实验室远程通信系统两部分组成。信息系统的学生登录界面如图2所示。

3.1教学管理系统

教学管理系统涵盖了日常教学中常用的各项服务。学生可以在登录系统后预约实验、在线选座、查看已预约实验。教师可以在登录系统后发布实验、在线批改作业、查看已发布实验。管理员在登录系统后查看在线学生、导出在线学生名单、发布通知、管理教师和学生、查看实验室预约情况。

3.2实验室远程通信系统

利用云平台提供的SDK，控制系统可以实现教师对实验室的远程控制。当教师执行控制操作。Web网页通过4G/WiFi将操作指令以JSON格式上传至云平台，云平台自动将该指令推送到实验室的PC主机。PC主机通过串口与ZigBee协调器连接，当服务主机接收到云平台的指令推送后，Linux自动拉取控制指令，并将其以字符串的形式，通过串口发送至ZigBee协调器模块，再经由ZigBee网络发送给不同实验室内控制设备相应的ZigBee模块，以实现远程控制。

4Android客户端

Android客户端设计基于Android开发平台，实现对灯、门禁、实验室电源、大电流仪器等设备的远程控制，并通过视频监控实时监控实验室内的环境状况。本Android客户端由登陆界面和控制界面组成，控制界面由图3实现。

通过4G/WiFi来获取网络，使用者输入账号、密码登录App进入控制页面。控制页面共有五个按钮，以实现远程视频监控及远程仪器控制功能。用户可实时查看实验室状况，并且在关键时间点进行抓拍，也可在Android端查询云平台中存储的过往一个月的监控画面。此功能使用网络摄像头，可在外网环境下访问指定网关号码，即可在配备对应SDK的App软件中实现多功能显示。

远程实验室设备控制功能可实现四种不同实验室设备的远程控制，分别实现远程开关灯、门禁、电源以及大电流设备。Android客户端把相关指令上传到云平台，云平台把该指令实时推送到实验室的服务主机，进而实现远程操控相应ZigBee模块。

为实现远程控制，需在Android Mainfest.xml文件中设置获取联网权限以及mqtt协议相关权限。

5ZigBee门禁及电子导游系统

5.1ZigBee门禁系统

该系统主要由控制中心、无线门禁和实验室设备终端节点三部分构成。

外来参观人员或学生需要刷NFC设备进入实验室。RFID模块识别NFC设备的序列号，并且将其与存储模块中的信息比对，将比对结果发送给ZigBee协调器。若信息比对成功，则实验室门打开，相应的设备电源开启。若学生需要离开，则需再次刷卡，此时相应的设备电源关闭，人离开后实验室门关闭。由于系统采用无线通讯方式，解决了现有刷卡系统布线繁杂的问题，节省了硬件资源。

控制中心由PC机、ZigBee协调器节点以及相应软件组成。ZigBee协调器通过ZigBee网络与门禁节点、电源终端节点通信，负责ZigBee无线传感网络的发起以及数据的上传、指令的下发等。控制中心的控制指令、信息和数据通过协调器节点无线传输给门禁节点或智能电源终端节点，终端节点收到指令后控制继电器通断，以实现对门禁系统和电源的控制与管理。同时，协调器节点接收门禁节点和电源终端节点的感知信息和反馈数据，以便控制中心根据事先设定的程序进行控制。

无线门禁模块由RFID射频识别模块、ZigBee门禁节点和电磁锁等组成。RFID射频识别模块负责NFC设备ID的读写，并通过I/O口将读取到的信息发送给门禁终端节点，门禁系统终端节点将信息传输给控制中心，同时将NFC设备ID与存储模块中的信息进行比对，进行身份认证和开锁条件判别。当满足开锁条件时，向电磁锁发出开锁指令。电磁门锁接到开锁指令后开锁。

实验室设备终端节点由照明灯、实验台电源插座终端节点和实验台大电流设备组成。当有权限的人员进入实验室时，控制中心通过无线消息打开实验台的电源、实验室的照明灯以及大电流设备电源，人员出实验室时再次刷卡关灯、关闭电源。

5.2电子导游系统

当外部人员参观实验室时，为使他们充分了解实验室各个设备的功能和用途，需要专门的人进行外语讲解或专职翻译人员，但这些讲解人员可能无法及时准确的将设备的功能用专业外语传达给参观人员。电子导游是一种支持多国语言的智能语音播放设备，使用电子设备可以代替讲解人员，节约人力。将HC-SR501感应模块连接的ZigBee终端节点固定于高校实验室重大设备上，当HC-SR501感应模块检测到有人时，语音播报模块使用事先设定的某种语言详尽介绍实验室设备功能及用途。

电子导游系统主要由ZigBee模块、语音播报模块、红外感应HC-SR501模块、RFID模块和NFC设备构成。ZigBee网络包括ZigBee协调器ZigBee门禁节点、ZigBee终端节点A₁,...,A_n。整体实现过程为：RFID射频识别模块用于读取NFC设备信息，并通过I/O口传递给ZigBee门禁节点，ZigBee门禁节点根据NFC设备号选择语音播报使用的语言，并利用ZigBee网络把语言信息传递给ZigBee协调器节点；HC-SR501模块放置在实验室需要语音讲解的设备附近，当有人靠近实验设备时，HC-SR501模块通过I/O口把触发信息传递给ZigBee终端节点A₁，并由终端节点A₁通过ZigBee网络把实验设备的设备号传递给ZigBee协调器节点。ZigBee协调器节点获取ZigBee门禁节点传递的语言信息及ZigBee终端节点A₁传递的设备信息后，协调器通过I/O口控制语音播报模块播放相应的声音片段；第n个ZigBee终端节点A_n功能与终端节点A₁相同，用于不同实验设备。整体结构框图如图4所示。

ZigBee门禁节点作用：电子导游系统基于上文门禁系统组建而成，需要门禁系统提供外来人员NFC设备信息。特征主要在于：通过门禁节点连接RFID射频识别模块读取NFC设备信息，不同NFC设备对应门禁节点程序设定的不同的语言标志位，并将语言标志位信息发送给协调器节点。

ZigBee协调器组建网络，管理各节点设备，根据门禁节点的语言标志位信息和终端节点设备号信息共同判定播放语言种类，播放语音。

HC-SR501人体红外感应模块采用LHI探头设计，可以有效感应到人体，当人体进入HC-SR501模块感应范围则输出高电平，人离开HC-SR501模块感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

ZigBee终端节点连接红外感应HC-SR501模块，当人体接近实验室设备后，ZigBee终端节点检测到HC-SR501输出的高电平就会向协调器节点发送设备号信息。

语音播报模块的核心芯片是JQ6500芯片，功放电路采用LM4871芯片，通过对5个引脚电平状态编码实现多国语言语音播放。

6系统调试

6.1模块间调试

ZigBee协调器与门禁节点间的调试：

门禁节点的功能是读取NFC设备的ID，将其与已存储的ID进行匹配后，将语言标志位发送给协调器。协调器接收到后对其进行相应的处理。

将门禁路由节点与协调器节点连接到一台电脑上不同的串口，门禁节点读取到NFC手机的ID后，使其将此ID对应的语言标志位信息通过串口发送给电脑，同时以点播的形式发送给协调器。协调器接收到消息后，也使其将收到的语言标志位通过串口发送给电脑。如果电脑上两串口显示的消息相同，则说明ZigBee协调器与门禁节点间的通信可正常工作。

ZigBee协调器与终端节点间的调试：

将终端节点放置重大设备附近并将其与协调器连接到电脑不同串口上，当红外报警模块检测到有人靠近时，会向通过串口向电脑发送get people，同时以点播的形式将重大设备的设备号信息发送给协调器，协调器接收到信息就会通过串口在电脑上打印出设备号信息，则说明ZigBee协调器与终端节点间的通信可正常工作。

Android客户端与控制中心的PC设备间数据传输的调试：

打开Android客户端，输入正确的用户名与密码，进入功能界面。选择执行不同的功能，云平台接收并且将控制信息转发给实验室控制中心的PC设备，则说明Android客户端可以与实验室控制中心的PC设备正常完成通信。调试结果如下图5所示。

6.2联合调试

将NFC设备靠近门禁节点，此时门禁节点连接的电脑串口打印出ID信息，协调器节点连接的电脑串口打印出语言标志位信息，同时协调器根据语音标志位信息将语音播放模块前三个引脚电平置位。此时，有人靠近实验室设备，则终端节点连接的串口打印getpeople，协调器节点连接的串口打印出设备号信息并将语音播放模块后两个引脚电平置位。如果语音播放模块根据五个引脚电平编码播放出正确的语音讲解，则电子导游系统可工作正常。门禁节点、协调器节点、终端节点传输的字符串信息如下图6所示。

系统整体硬件如图7所示。

本发明将云平台技术、Android智能手机、Web技术以及ZigBee技术等紧密的结合起来，应用到智慧实验室的设计中。实现了实验室远程智能门禁管理、实时开放预约管理、视频监控，以及外来参观人员进行多种语言的智能导游语音讲解功能。体现了高校实验室管理的开放、远程、安全、智能，以及方便参观讲解，对高校实验室建设具有一定的促进作用。

本发明所引用的参考文献(References)：

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[9]陈仁安,郑新旺,庄凤彬.基于物联网的高校大型仪器设备智能管理系统研究[J].实验技术与管理，2017，(4)：268-271.

Claims

1.一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述系统包括作为控制中心的ZigBee协调器、无线门禁、实验室学生专用设备的终端节点、实验室共用设备的终端节点、远程控制子系统；

远程控制子系统包括Android客户端和云平台；

Android客户端把远程控制指令上传到云平台，云平台把该指令实时推送到实验室内的服务主机，服务主机通过串口与ZigBee协调器连接，当服务主机接收到云平台的指令推送后，服务主机的Linux系统自动拉取控制指令，并将所述控制指令以字符串的形式通过串口发送至ZigBee协调器，再经由ZigBee网络发送给实验室内ZigBee门禁终端节点、ZigBee照明终端节点、ZigBee设备终端节点以及语音播报模块，以实现远程控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述远程控制子系统包括Web服务器、MySQL数据库，Web服务器用于实验室的远程管理，Web服务器基于所述云平台和所述MySQL数据库实现管理功能；所述ZigBee协调器将其控制的各个终端节点的信号通过串口传给服务主机，再通过云平台传给所述的Web服务器进行记录，MySQL数据库用于存储Web服务器记录的数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述远程控制子系统包括交换机、视频监控设备，服务主机通过交换机对视频监控设备的数据进行读取，并对视频监控设备进行控制；Android客户端用户通过视频监控设备可实时查看实验室状况，并且在关键时间点进行抓拍，在Android端查询云平台中存储的过往一个月的监控画面。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述的人体红外感应模块为HC-SR501人体红外感应模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，具有语言功能的触发端为IC卡或NFC设备。

6.根据权利要求1所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，非语言功能的触发端为IC卡或NFC设备。

7.根据权利要求1所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述Android客户端由登陆界面和控制界面组成，Android客户端通过4G/WiFi来获取网络，使用者输入账号、密码登录App进入控制界面；控制界面共有五个按钮：由上至下依次为实时监控按钮、远程开关灯按钮、远程开关门按钮、远程控制电源按钮、远程播报按钮；Android客户端在实现远程控制时，需在Android Mainfest.xml文件中设置获取联网权限以及mqtt协议相关权限。

8.根据权利要求2所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述Web服务器还用于为师生提供实验室在线预约、学习资料在线发布、在线批改作业。

9.根据权利要求1、2、4、5、6、7或8所述的一种基于云平台和ZigBee的开放实验室智慧导游系统，其特征在于，所述ZigBee协调器的芯片型号为CC2530。