基于ZigBee和混沌加密的智慧实验室系统设计与实现

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实验室是培养高校优秀大学生动手能力和创新思维的重要场所。目前,我国很多高校均设立了供教学以及科研使用的开放型实验室,但是随着物联网技术的持续发展和学校教学改革的逐步推进,实验室建设和管理的问题也渐渐暴露出来。实验室的使用时间安排不统一,人员进出记录难度大,传统电源供给无法保障用电安全,无线信息直接在信道传输无法保障信息安全。以上问题给实验室的资产和用电增加了很大的安全隐患,在一定程度上限制了实验室的建设和管理。所以,智慧实验室的设计可以在管理和安全等方面提供更加方便智能的解决方案,智慧实验室的建设模式对今后的实验室建设和管理具有借鉴意义。  论文首先论述物联网技术和混沌加密的国内外现状,结合ZigBee技术、RFID技术、WiFi技术等提出了智慧实验室的总体设计方案,进而通过各模块简介与功能分析,对设计中涉及的主要技术进行简单介绍。  其次,在总体设计方案下,设计ZigBee硬件节点及RFID阅读器,通过软件设计完成ZigBee网络的建立,从而实现门禁考勤、智能照明、智能电源、报警等功能,并能够使用手机NFC功能实现门禁的开启。设计ZigBee-WiFi网关模块的硬件电路完成ZigBee协议和TCP协议的转换。提出一种用于指令字符串加密的混沌加密方案,将手机终端和PC客户端与网关模块通信的信号进行加密,保障信息传输的安全性。混沌加密方案选用两个四阶超混沌系统,采用四阶龙格库塔离散化算法解混沌系统方程以产生混沌加密序列,最后采用快速排序和反馈异或来实现数据加密。建立服务器和云平台作为智慧实验室的软件后台,实现数据的存储和应用。开发安卓手机APP和PC客户端,加入视频监控模块,完成远程终端对ZigBee网络的远程控制和实验室的状态监控。  最后,对论文所设计智慧实验室系统进行整体性测试,保证智慧实验室系统的功能实现,并且提升系统的稳定性。测试结果表明,智慧实验室系统可以实现人员进出信息的感知、传递、记录,实现电源智能控制和信息保密通信等功能,为实验室的建设提供信息化安全保障。
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