（计算机应用技术专业论文）基于无线传感器网络的实验管理系统的设计实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 日期：计年歹月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：致锄 日期：坤年3 - 月同 摘要 摘要 随着高校招生规模的不断扩大，实验教学工作越来越繁重，实验课的安排及 管理越来越复杂。目前高校的实验管理工作及信息处理基本是基于有线网络实 现，甚至存在人工管理的方式，因此实验管理网络系统的建立及扩展比较困难， 灵活性差。而基于无线传感器的网络系统则可以克服有线网络的上述缺点，它 建立简单，使用方便，在许多领域都得到了应用。 本文基于无线传感器网络系统及非触式i c 卡技术，设计实现了一种新的实 验管理系统，它具有操作简单、投资少、管理效率高的优点。主要工作及创新 包括： ( 1 ) 分析和研究了无线传感器网络与非接触式i c 卡的相关技术，以及基于 无线传感网络的定位技术； ( 2 ) 给出了一种基于无线传感器网络的实验管理系统总体框架，并实现了 实验室绑定、学生注册、实验刷卡等管理模块。其中实验刷卡采用的 是学生校园一卡通，节约了成本。 ( 3 ) 设计了一个基于b s 结构的实验教学管理平台，并利用v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 及s q ls e r v e r2 0 0 3 数据库实现了实验室管理、实验课程管理、实 验安排、实验情况统计、实验设备管理等功能。 ( 4 ) 系统采用多级用户管理，提高系统的安全性。 该系统已在河南省电子信息实验教学示范中心得到了应用，应用结果表明， 该系统需要资金少、建立与维护简单、使用方便，运行可靠，极大地提高了实 验管理的效率。 关键词：实验教学实验室管理无线传感器网络非接触式i c 卡 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h el a r g e ra m o u n to ft h ec o l l e g er e c r u i t s ，t h ee x p e r i m e n tt e a c h i n g t a s k sb e c o m em o r ea n dm o r eh e a v y , t h ea r r a n g e m e n to ft h ee x p e r i m e n tc o u r s ei sv e r y c o m p l e x n o w a d a y s ，af e wc o l l e g e s e x p e r i m e n tm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga l m o s tb a s eo nt h ew i r e dn e t w o r k e v e nh a v eb e e nd o n eb yh a n d ，t h e r e f o r e ， t h ec o n s t r u c t i o na n de x p a n d i n go fe x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi sd i f f i c u l ta n dt h e s y s t e m i s p o o r i n f l e x i b i l i t y b u t t h en e t w o r ks y s t e mw h i c hb a s e do nt h e w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) c a ns o l v em e n t i o n e d a b o v ep r o b l e m so ft h ew i r e d n e t w o r k ，i tc a nb ec o n s t r u c t e ds i m p l ya n de x p e d i e n t l y , a n du s e di nm a n yd o m a i n s t h i sp a p e rb a s e so nt h ep e r t i n e n tt e c h n o l o g yo fw s na n dt h ec o n t a c t l e s si cc a r d ， d e s i g n sa n dr e a l i z e san e we x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m i th a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha ss i m p l eh a n d l i n g ，l o wc o s t ，h i g hm a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n ds oo n t h e p r i m a r yw o r ka n di n n o v a t i o nc o n t a i n s ： ( 1 ) i ta n a l y s e sa n dr e s e a r c h e sn o to n l yt h ep e r t i n e n tt e c h n o l o g ya b o u tw s na n d c o n t a c t l e s si cc a r d ，b u ta l s ot h eo r i e n t a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw s n ； ( 2 ) i tg i v e sah o l i s t i cf r a m eo ft h ee x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n w s n ，m o r e o v e ri tr e a l i z e ss o m em a n a g e m e n tm o d u l e ss u c ha sl a bb i n d i n g ，s t u d e n t r e g i s t e r , e x p e r i m e n ta u t h o r i z a t i o n ；i tc a na l s ob eu s e da saa l l p u r p o s ec a r do nc a m p u s ， t h u se f f e c t i v e l yc u t t i n gd o w nt h ec o s t ； ( 3 ) i td e s i g n sae x p e r i m e n tp l a t f o r mw h i c h b a s e do nb ss t r u c t u r e ，a n dm a k eu s e o fv i s u a ls t u d i o2 0 0 5a n ds q ls e r v e r2 0 0 0t or e a l i z em a n yf u n c t i o n s ，f o re x a m p l e l a b m a n a g e m e n t ，e x p e r i m e n t c o u r s e m a n a g e m e n t ，e x p e r i m e n ta r r a n g e m e n t ， e q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n d s oo n ； ( 4 ) i tc a na c h i e v et h em a n a g e m e n to fm u l t i l a y e ru s e r s a n di m p r o v et h es a f e t yo f t h es y s t e mw i t hs o m ea d v a n c e ds a f e t ys t r a t e g i e s t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di nt h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ne x p e r i m e n tt e a c h i n g d e m o n s t r a t i o nc e n t r eo fh e n a np r o v i n c e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ，t h es y s t e mi se a s y , e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n t ，a n de f f i c i e n tt oo p e r a t et h es y s t e m ，a n di tc a nm a k e f u l lu s e o ft h ee x i s t i n gn e t w o r ka n de x p e r i m e n tr e s o u r c et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f u a b s t r a c t e x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ；e x p e r i m e n tm a n a g e m e n t ；w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ；c o n t a c t l e s si cc a r d i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 图表目录v i 1 绪 仑1 1 1 课题背景与意义1 1 2 高校实验管理系统研究现状一1 1 3 论文研究内容及目标。2 1 3 1 研究内容2 1 3 2 研究目标4 1 4 论文组织结构及安排5 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统6 2 1 无线传感器网络6 2 2 无线传感器网络开发环境7 2 3 非接触式i c 卡系统9 2 3 1 非接触式i c 卡系统的基本原理一9 2 3 2 非接触式l c 卡系统涉及的主要技术1 1 3 实验管理系统的总体设计1 3 3 1 实验教学管理子系统1 3 3 1 1 教学管理子系统体系结构。1 3 3 1 2 教学管理子系统功能描述1 4 3 2 实验室管理子系统1 6 3 2 1 无线传感器网络结构1 7 3 2 2 实验室管理子系统体系结构1 8 3 2 3 实验室管理子系统功能描述1 8 4 实验管理系统主要功能实现2 2 4 1 数据库设计2 2 l v 目录 4 1 1 数据库设计概述。2 2 4 1 2 数据表设计。2 2 4 2 实验教学管理子系统主要功能实现2 4 4 2 1 数据库连接和数据查询2 4 4 2 2 身份验证功能一2 5 4 2 3 主要模块2 7 4 3 实验室管理子系统主要功能实现3 1 4 3 1 通信与控制程序3 1 4 3 2 前台管理模块一4 2 4 3 3 前台管理模块的后台控制模块一4 5 4 4 系统测试4 6 5 总结与展望4 9 参考文献5 0 致谢5 2 个人简历及科研情况5 3 v 图表目录 图表目录 图2 1j e n n i c 传感器板。9 图2 2 最基本的射频卡系统1 0 图3 2 教学管理子系统功能描述。1 4 图3 3 大纲管理流程。1 5 图3 4 项目管理流程1 6 图3 5 无线网络1 7 图3 6 实验室管理子系统1 8 图3 7 实验室绑定流程。1 9 图3 8 学生注册流程。2 0 图3 9 刷卡管理流程。2 0 图4 1 数据库。2 2 图4 2 登录页面2 6 图4 3 管理员主页面2 7 图4 4 课程录入。2 8 图4 5 项目录入2 8 图4 6 大纲实验安排一2 9 图4 7 实验项目安排3 0 图4 8 教学年历3 0 图4 9r f c r d 类图3 2 图4 1 0c a r d m o n i t o r 类图4 0 图4 1 1 启动界面4 2 图4 1 2 实验室绑定界面4 3 图4 1 3 学生注册界面4 4 图4 1 4 刷卡管理界面4 5 图4 1 5 实验测试平面图4 7 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景与意义 高校实验室是科研、教学的重要组成部分，是实现素质教育基地，是培养 具有创新意识和实践能力的人刊摇篮。因此，实验内容的设置、安排、操作与 评分、实验的教学人员水平与实验室管理人员的水平、实验室的建设与管理、 实验设备的配置与科学化使用等都深刻影响学校的教学质量、科研水平。目前 许多高校都加强了对实验教学建设的重视程度，实验室资产规模、数量也在迅 速增加，与此同时，学校对实验和实验室的管理工作也不断加强。 随着招生规模的扩大，学校也在扩大办学规模的过程中不断的加强实验室 建设，以满足教学实践环节的需要。但是，在实际操作的过程中，往往会遇到 很多问题：一方面实验室管理人员数量有限，而另一方面办学规模大，所需的 实验设备数量猛增；一方面由于学生数量的增多，实验课程随之增加，而另一 方面，实验室数量有限，教学天数有限，如何更合理的对实验进行安排，成为 难题；一方面由于学生数量增加而教学科研经费与实验设备的增加有限，这就 需要延长实验室开放时间，而另一方面又不能过分增加管理人员的工作负 担。如何来解决这些矛盾，充分发挥学校各种实验室的效能、最大限度地 为教学和科研服务? 为了解答这些问题，本文将注意力集中到了建设更高效、 更实用、更完善的实验管理系统上来。 1 2 高校实验管理系统研究现状 针对当前实验管理中遇到的种种问题，各高校都给出了不同的解决办法， 也提出了各种实验管理系统的设计思路，并将其中的许多转化为现实。根据查 阅到的各种相关资料显示，主要有以下两类： ( 1 ) 实验室管理有一套比较完善的制度，但是在实验教学方面缺乏有效的 管理。这类高校，对于实验室的管理较为重视，学生进出实验室或上机时，学 校有会采取较为有效的管理措施。比如人工登记、手动录入计算机信息、刷卡 1 绪论 登记等等。 ( 2 ) 在实验室和实验教学方面都有相应的管理方法，能为学校的实验管理 提供较好的帮助和服务。但是，在技术方面又存在某些问题，某些院校采用的 技术又反过来对管理系统更好的工作产生了一定的限制。 以笔者考察的一所高校的电子工程学院为例。该学院下设计算机科学与技 术和通信工程两个专业，有开放型实验室2 个，机房2 个，计算机专业实验室6 个，通信专业实验室6 个。经过考察发现，该院实验室管理采用的是比较落后 的人工式管理。开放型实验室的管理方式与校园网吧类似，由学院派专人进行 上下机登记管理。学生在上下机时，需向管理员出示学生证进行信息登记，并 且只能指定机器就坐。管理工作混乱，效率低下，错误频发。计算机类专业实 验室的管理则利用了该校的插入式饭卡管理系统，学生进入实验室时将饭卡插 入刷卡机进行刷卡操作，以登记该生信息。但由于实验室与该校的饭卡管理中 心距离较远，因此建立该管理系统时，铺设了大量的线路，成本较高。 实验教学管理方面，因为该校没有建立相应的实验教学管理系统，只能由 实验所属课程的任课教师进行相应的管理。学生在实验前领取实验报告手册， 实验完毕后填写上交。由于实验设备及时间的限制，实验一旦完成，即使许多 学生对于实验目的、步骤、结论都没有透彻的理解，也几乎没有重复进行再实 验的可能。实验教育成为了一种形式，也丧失了其应有的目的和意义。 通过以上的分析，我们大致可以得出一个结论：现代的实验教育，必须基 于现代的实验管理方法和现代的技术手段。 1 3 论文研究内容及目标 1 3 1 研究内容 本文所提出的实验管理系统主要由两部分构成：一是主要基于i n t e m e t 技术 的实验课程的预约、安排、公示，实验公告的发布及实验过程的操作和效果审 查部分，采用这种技术建立的实验虚拟系统，通常采用客户端、服务器、数据 库服务器三层结构，即b s 式结构。这种结构非常适合基于i n t e m e t 的应用，无 论用户的规模大小和分支多少，都不会增加系统维护、升级的工作量。这种系 统大部分使用图像i m a g e 、动画v i d e o 和声音a u d i o 等多媒体形式来模拟各种实 2 1 绪论 验的全过程，既有实际的实验步骤，又有生动的使用界面。采用b s 结构还有 以下几个优点： ( 1 ) b s 结构支持跨平台管理，不论是w i n d o w s 平台，还是l i n u x ，只要 装有w e b 浏览器即可使用系统，工作站无需安装和维护软件。 ( 2 ) 用户无须了解服务器端的情况，服务器端升级、改变和扩展，对用户 几乎无影响，用户也无需进行相应的培训，极大地方便了用户的使用。 ( 3 ) 用户只需要使用浏览器，就可以在任何地方通过身份权限确认后，进 行相关操作，极大的发挥了b s 结构的优点。 ( 4 ) 基于i n t e r a c t 应用框架的应用是典型的动态应用，这些应用可结合声 音、图像、动画、视频、虚拟现实等内容，实现多媒体的交互式应用，非常符 合虚拟实验的需要，为虚拟实验的实现提供了极大的帮助。 ( 5 ) 数据集中存放在数据库服务器上，客户端不存储任何数据和数据库连 接信息，数据同步更无需进行，所以保证了数据的安全性、一致性。 本文所设计的实验教学管理子系统，采用b s 结构，采用基于用户的安全 策略，进行不同等级的角色权限操作，以实现对实验课程的管理。 二是实验室管理部分，主要应用于实验室的管理，如实验室情况的记录与 更新、维护，实验设备的登记与变更，实验室开放和关闭时间的发布，实验室 使用情况和学生实验情况等信息的记录、管理和分析，此部分的实现，可以提 高实验室的管理和使用效率，确保实验的顺利进行，并对学生的实验考勤情况 进行分析，以发现学生可能存在的实践薄弱环节。 目前，大部分高校的实验室管理，已经摒弃了传统的人工登记方式，采用 的是与上述考察学校相类似的设计：使用有线网络连接读卡器与服务器，通过 读取学生卡上的信息来采集学生的刷卡记录及相关参数。这种系统，在建设时 首先需要考虑实验室场地和所在建筑整体布局，以便布置有线网络，另外需要 大量的线路连接各个设备，因此需要较为繁琐的前期排线、布局设计和专业安 装人员。大量的硬件既增加了实验室建设的成本，并且维护和维修难度较高， 一旦线路出现问题排查难度高，会造成极大的不便。 其次，也有一些系统采用的冗余设备的方法，给每一个读卡器配置一台电 脑以对数据进行处理。这种方法虽然降低了线路故障引起的风险，但是使用冗 余设备，不但增加建设成本，而且有可能会造成数据丢失或更新延迟，造成数 据库错误。 1 绪论 针对以上提出的实验室管理方面的问题，本文提出了基于无线传感器网络 的实验室管理系统。本系统采用无线网络，代替传统的有线网络，将各种数据 信息转换为无线信号进行传输。本系统仅需在某个实验室或房间设置一台服务 器，将无线信号射频器( 以下简称：射频器) 与服务器连接，开启管理程序， 即可对安装在每个实验室的非接触式i c 卡刷取器( 以下简称：读卡器) 进行管 理。在信息数据管理方面，采用传统的c s 模式进行管理。 利用无线网络，管理系统在建设时可以节省大量硬件，减少了成本和故障 率，降低了维修、维护和使用的难度。 1 3 2 研究目标 本文所提出的这种系统，整合了实验教学管理与实验室管理，成为一个完 备的实验管理系统，涉及软件和硬件两个方面，对于现存的较为完善的虚拟实 验和实验课程设计思想有着较好的继承，同时，对于较为落后的实验室管理设 计有了较大的改进和发展。 ( 1 ) 依托i n t e m e t 技术，实现管理员直接可以通过管理平台进行实验场地、 实验项目、实验人员等管理，实验员通过w e b 端进行实验项目安排，教师通过 w e b 端进行实验课程完善、实验作业批改，学生通过w e b 端进行实验项目查询、 虚拟实验操作等功能。 ( 2 ) 进行多级用户管理研究，应用多种先进的安全策略来提高系统的安全 性。 ( 3 ) 选择性能最优的非接触式i c 卡，利用无线定位传输系统传输数据和 信号，设计出符合现实需求的实验室管理系统，并且该i c 卡可与校园一卡通通 用，或直接使用校园一卡通使用的非接触式i c 卡，有效的节约经济成本。 为了实现以上目标，本系统研究并实现了基于b s 的远程实验教学管理系 统、基于无线传感器网络的实验室管理系统及作为基础功能的无线传感器网络、 网络通信控制系统和数据筛选系统，基本上实现了建设系统的需求。 本系统的提出，希望真正实现对实验室开放式管理以便有效解决实验室资 源的有限与学生大量实验之间的矛盾。系统提供全天候、动态式的管理，能使 实验室和教师、学生之间能够快速、及时地进行沟通，全面实现实验室的开放 式管理，基本上缓解了学生实验与学校实验室资源有限及管理方面的冲突，用 户界面友好，操作简单、方便、高效、安全。 4 1 绪论 1 4 论文组织结构及安排 本文通过四个章节的阐述，介绍了基于n e t 和无线定位传输系统的高校实验 管理系统的设计及实现。 在本论文的概述中，首先介绍了实验管理系统研究的来源及背景、相关管 理系统发展的现状和趋势，并简单介绍了本系统的设计思想。 在第二章中，详细阐述了高校实验管理系统中实验室管理部分所用到的无 线传感器网络技术和非接触式i c 卡系统。 第三章分析了系统的总体设计，介绍了系统的总体架构、模块设计。 第四章详细描述了系统的实现，主要分为实验教学管理系统与实验室管理 系统两部分，分别介绍了两部分的实现方法，并在现实环境中进行了测试。 第五章，对全文进行总结并提出进一步的研究发展方向。 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 2 1 无线传感器网络 无线网络技术及移动通信技术的发展，以及计算技术应用的不断扩大和深 入，基于位置的服务显得日趋重要，在生活中有非常广泛的应用。这些应用的 核心问题是如何确定用户的位置。全球定位系统是应用比较广泛且比较被认可 的定位技术，其良好的定位精度解决了军事和民用的很多实际问题。但是，g p s 在室内和高楼密布的城市由于感测不到卫星信号而无法定位。因此，应用的需 求急需一种新的室内定位技术来弥补g p s 的不足。 无线传感器网络( w s n ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 就是由部署在监测区域 内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织 网络。无线传感器网络由于其灵活、成本低、易于布置等特性，能够方便、及 时、准确的采集各类信息，而受到了广泛的重视。w s n 设施的利用很大程度上 满足了空间和位置信息的需求。 无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理、 无线通信及现代网络技术等技术，在监控区域内部署大量的廉价微型传感器， 通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，感知、采集和处理 网络覆盖区域中可感知对象的信息，并发送给用户终端。无线传感器网络中， 位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，也是传感器节点监测消息中所包 含的重要信息。 目前主要有五种短距离无线网络技术：1 、z i g b e e ；2 、无线局域网( w i - f i ) ； 3 、蓝牙( b l u e t o o t h ) ；4 、超宽频( u l t r aw i d eb a n d ) ；5 、近距离无线传输( n f c ) 。 本系统采用z i g b e e 技术来搭建无线传感器网络。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 协议的 代名词，它是一种短距离、低功耗的无线通信技术。简而言之，z i g b e e 就是一 种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 无线传感器网络中，网络节点的定位技术是无线传感器网络建设中需要考 虑的重要问题。目前的无线定位技术中，基于信号到达时间和到达时间差技术 的定位技术依赖于发射器和接收器之间的精确定时同步，这样对系统的硬件要 求比较高；而基于信号到达角度技术的定位系统需要额外增加定向天线或者天 6 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 线阵列，两种方案更适合于专门用于定位的应用场合。 基于信号强度的定位方法如几何定位方法，以及建立在传播模型基础上的 定位方法等在理想的环境中比较适用。然而由于无线信号传播的特殊性，会有 反射、折射、衍射，以及各种强干扰信息。这些因素给基于信号强度的定位方 法带来了困难，使这种方法失去了可用性。 谢琦教授和研究生弋俊超提出了一种基于采样模型的定位估计方法，通过 样本采集和高斯估计获得目标场景下的信号强度分布，通过对位置节点信号强 度与已得到的采样模型进行比较分析，从而进行位置估计。他们以基于z i g b e e 协议的无线传感器网络作为实验场景，建立了一个实际的无线传感器定位系统， 对该采样模型方法进行了实验验证，证明了该方法在现有网络中即可实现定位 功能，且具有良好的适应性和定位精度。鉴于实验证明中该无线网络的良好性 能和表现，本文所提出的实验室管理子系统即采用了这种无线传感网络，作为 系统运行的网络环境，代替有线网络。 2 2 无线传感器网络开发环境 实验室管理子系统硬件采用谢琦教授建立的无线传感器网络，它利用 z i g b e e 无线网络模块和英国j e n n i c 公司的j n 5 1 x x 硬件模块，并用校园一卡通 i c 卡来配合完成。 z i g b e e 标准规定在一个单独的网络中可以容纳6 5 5 3 5 个节点，所以采用此 方法建立的无线传感器网络可以支撑大量的节点。z i g b e e 有以下技术特点：1 、 低功耗，这是z i g b e e 的突出优势。2 、低成本。通过大幅简化协议，降低了对通 信控制器的要求，而且z i g b e e 免协议专利费；3 、低速率，z i g b e e 工作在2 0 - 一 2 5 0k b p s 的较低速率，分别提供2 5 0k b p s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b p s ( 9 1 5m h z ) 和 2 0 k b p s ( 8 6 8m h z l 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求；4 、短 时延，z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5m s ，节点连 接进入网络只需3 0 m s ，进一步节省了电能；5 、近距离，传输范围一般介于 1 0 1 0 0m 之间，在增加射频发射功率后，亦可增加到1 3k m ；6 、高容量， z i g b e e 可采用星状、网状和m e s h 网络结构，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网； 7 、高安全，z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单 ( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s1 2 8 ) 的对称密码，以灵活 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 确定其安全属性；8 、免执照频段。 所有的z i g b e e 网络节点都属于以下三种类型中的一种：c o o r d i n a t o r ， r o u t e r ，e n dd e v i c e 。 c o o r d i n a t o r ，又称中心节点，是对z i g b e e 网络中的一类网络设备的角色定 义。c o o r d i n a t o r 用以控制整个网络，不论z i g b e e 网络采用何种拓扑方式，网络 中都需要有一个并且只能有一个c o o r d i n a t o r 节点。在网络层上，c o o r d i n a t o r 通常只在系统初始化的时候起到重要的作用。在一些应用中网络初始化完成后， 即便是关闭了c o o r d i n a t o r 节点，网络仍然可以正常的工作。但是如果 c o o r d i n a t o r 还负责提供路由路径，比如说在星形网络的拓扑结构中，c o o r d i n a t o r 就不能被关闭，而必须持续的处于工作状态。c o o r d i n a t o r 在网络层的任务是： 选择网络所使用的频率通道，通常应该是最安静的频率通道；开始网络； 将其他节点加入网络；c o o r d i n a t o r 通常还会提供信息路由，安全管理和其 他的服务。 r o u t e r 同样是z i g b e e 网络中的一类网络设备的角色定义，它可以用来采集 和转发数据，延伸z i g b e e 网络的规模，实现多跳网络。r o u t e r 和e n dd e v i c e 一 样，都可以用来发送和接受网络中的信息，不同的是，r o u t e r 与c o o r d i n a t o r 之 间的通讯比较快速，但r o u t e r 节点不能休眠，e n dd e v i c e 与c o o r d i n a t o r 之间的 通讯比较缓慢，但可以休眠。如果不考虑节点的休眠，可以用r o u t e r 来代替e n d d e v i c e 。 开发本系统主要使用的是j e n n i c 开发包中的主要部件传感器板，之所以叫 传感器是因为每一个板子上都集成了相应的温湿度传感器，这样我们就可以直 接使用传感器板所发送的温度、湿度、电压等信息作为板子是否正常工作的参 考数据，以此来判断板子的工作状态。 传感器板包含的部件如下：u 1 ：j n 5 1 x x 系列z i g b e e 模块；u 5 板载温湿 度一体传感器；s w l ，s w 2 ：可编程按键，对应d i o 为d 1 0 9 、d i o l l ；s w 3 - 电池与外供电选择开关；j 1 ：c m o sp r o g r a m ；j 2 ：f l a s h 写保护跳选，编程与运 行都跳选到r u n ；j 3 ：片选模块内部的f l a s h ，编程与运行都需要跳选短接；j 4 模块所有管脚的引出排线；j 5 ：r s 2 3 2 编程接口；j 6 ：编程与运行状态选择；j 7 - r s 4 8 5 端电阻；j 8 ：外供电( 5 9 v d c ) 以及4 8 5 接口，如图标注；p w r ：电源 指示灯；l e d l ，l e d 2 ：可编程l e d ，分别对应d 1 0 1 4 、d 1 0 1 5 。 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 2 3 非接触式i c 卡系统 了 茄之女i 乏v 3 0 图2 1j e n n i c 传感器板 实验室管理子系统会涉及到：非接触式i c 卡、i c 卡读卡及处理系统、相关 软件编程等技术，本节就这些主要的开发技术作简单的分析和介绍。 2 3 1 非接触式i c 卡系统的基本原理 非接触式i c 卡系统是一个多学科涉及的、多技术融合的系统。以下部分将 从i c 卡系统的构成、运作原理、主要技术参数和系统涉及到的一些关键技术等 方面出发，阐明非接触式i c 卡系统的基本原理。 ( 1 ) 非接触式i c 卡的分类及其特点 非接触式i c 卡有多种分类，例如：按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离 小于1 厘米) 、近耦合卡( 作用距离小于1 5 厘米) 、疏耦合卡( 作用距离约1 米) 和远距离卡( 作用距离从1 米到1 0 米，甚至更远) ；按供电方式可分为有源卡 和无源卡；按调制方式可分为主动式和被动式；按载波频率的不同可分为低频 射频卡、中频射频卡和高频射频卡；按芯片分为只读卡、读写卡，等等。 本设计所采用的非接触式i c 卡又称射频卡，它是射频识别技术和i c 卡技 术有机结合的产物，它解决了无源( 卡中无电源) 和免接触这一难题，是电子 技术应用领域的一大突破。 9 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 该非接触式i c 卡，可靠性高、使用寿命长、操作方便、抗干扰性强、适用 范围广，而且与磁卡、接触式i c 卡相比，更加安全可靠，除了存储容量大还可 一卡多用，读写机构简单可靠，造价便宜维护方便，易于推广。 ( 2 ) 最基本的射频卡系统由三部分组成 射频卡( r f ：r a d i of r e q u e n c y ) ：由耦合元件及内置芯片组成，每个射频卡 具有一个唯一的电子编码，标示该射频卡；当射频卡被无线射频信号照射时， 能反馈携带有电子编码信息的无线射频信号，供读卡器处理识别。 读卡- 器( r e a d e r ) ：有时也被称为查询器、通讯器或称为读出装置，用以产 生发射无线电射频信号并接收由射频卡反射回的无线电射频信号，经处理后获 取射频卡数据信息。 微型天线( a n t e n n a ) ：在射频卡和读卡器间传递射频信号。 图2 2 最基本的射频卡系统 ( 3 ) 非接触式i c 卡系统工作原理 非接触式i c 卡系统是基于射频法的系统，射频法( r f ) 是运用l - c 振荡回 路工作。将振荡回路调到一个规定的谐振频率f r ，如果将振荡回路移入交变场附 近，那么，振荡回路的线圈便感应出交变磁场能量。如果交变磁场的频率f i 与 振荡回路的谐振频率f r 相同，振荡回路就激发了谐振振荡。此振荡过程从交变 磁场取得能量。因而，振荡线圈上的振荡过程，可以根据交变磁场中振荡线圈 的短时电压变化或电流变化得到。这种线圈电流的短时上升( 或线圈电压下降) 被称作降落( d i p ) 。 d i p 的相对强度取决于两个线圈的距离和受激的振荡回路( 在i c 卡里) 的品 质因数，尤其是两个线圈接近的速度对d i p 的相对强度影响巨大。同时，使用 1 0 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 的材料也决定了振荡回路的品质因数。 如果扫频的振荡频率正好命中了在i c 卡里振荡回路的谐振频率，其振荡回 路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的d i p 。系统工作时， 通过电感耦合原理实现通信。 ( 4 ) 无源i c 卡的能量供应 i c 卡一般是无源工作，工作能量由读卡器供应。读卡器的天线线圈产生电 磁场，在i c 卡的天线线圈上产生一个电压u i 。电压u i 整流后成为i c 卡内置微 型芯片的电源。将一个电容器c r 与读写器的天线线圈并联，c r 与天线线圈的电 感一起，形成谐振频率与读卡器发射频率相符的并联振荡电路。该回路的谐振 可以使读卡器天线线圈产生非常大的电流。 ( 5 ) i c 卡系统的工作流程 其具体的工作过程为： 读卡终端持续的向周围发送一组频率固定的电磁波；i c 卡片进入读卡 终端的工作区时，如果卡内的l c 谐振电路频率与读卡终端发送的频率相同，l c 谐振电路通过电磁激励产生共振；共振使卡内的电容产生负荷，当所积累的 电荷达到一定数量时，此电容即可成为i c 卡集成电路的电源； c m o s 集成电 路对接收到的信号进行解码；根据解码信息判断读卡终端发来的命令要求， 若是读取信息则从存储器中读取有关信息；当电容放电时，非接触i c 卡内的 发射电路就从存储器中读取数据信息及相关信息，并发送给读卡终端。读卡 终端对接收到的信息进行处理。 2 3 。2 非接触式i c 卡系统涉及的主要技术 ( 1 ) 射频通信技术 非接触式i c 卡系统是一个典型的射频识别系统，它采用的就是射频通信技 术，射频通信细节有：数据的调制和解调、能量的传输和通信协议。 数据的调制和解调 读卡器和i c 卡之间以一定频率的电磁波为媒介进行通信。由于基带数字信 号不可以直接进行传输，那么在i c 卡和读卡器之间进行通信时，必须对该基带 信号进行调制和解调处理。 能量的传输 非接触式i c 卡在工作时，本身没有电源，因此需要从读卡器发送的电磁波 2 无线传感器网络与非接触式i c 卡系统 中提取能量。在i c 卡接受数据期间，它一方面从接受到的信号中解调出数据信 息，另一方面从接受到的信号中提取能量。当i c 卡放回数据时，i c 卡天线上的 信号幅度发生变化，耦合到读卡器天线上的信号幅度随之发生相应变化，读卡 器因此得到i c 卡返回的信息，同时i c 卡将读卡器上的电磁波信号耦合过来， 提供自己工作所需的能量。 通信协议 i c 卡系统至少由一个读写器和一个i c 卡组成，有些系统可能还需要其他的 一些设备以组成更为庞大、复杂的系统。为了使系统具有高性能价格比，通常 在整个系统中加入相关通信协议，使一个读写器可以同时和多个i c 卡通信。 ( 2 ) 信息安全技术 i c 卡系统的信息安全体系是系统中极为重要的部分。它涉及通信的安全和 保密、存储数据的安全及工作状态的控制三个方面。i c 卡的安全性能的高低， 将决定其可在何种场合下应用。通信的安全就是要保证信息交换过程数据的机 密性、完整性、有效性和真实性。数据的完整性，可以通过校验和纠错的方法 实现，而数据的机密性和有效性是通过对数据的加解密来实现的 存储数据的安全是指数据的持久性。数据的持久性是通过存储区域的访问 条件控制和冗余存储实现的。i c 卡在执行读写器的指令时，首先需要对指令指 定的操作对象的访问条件进行判断，符合条件时，爿。能执行指令，否则作出错 处理。 工作状态指i c 卡完成上电复位或执行完某条指令后所处的一种状态，通过 对该工作状态的控制可以使i c 卡在执行指令时有更高的安全性。 综上所述，非接触式i c 卡系统涵盖了很多方面的技术，正确选用适当的技 术，刁能设计出高性能低功耗、低成本的i c 卡系统。 1 2 3 实验管理系统的总体设计 3 实验管理系统的总体设计 前文对实验管理系统所采用的技术进行说明，本章将按系统的需求，从实 验教学管理子系统和实验室管理子系统两部分对其进行总体设计。 3 1 实验教学管理子系统 3 1 1 教学管理子系统体系结构 通过前面的分