基于物聯網的智慧實驗室設計

車轔轔，孔英會，趙建立，程文清

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

物聯網的發展，打破了人們傳統的思維方式，給人類生活帶來巨大的變革[1－2]。從核心構成來說，物聯網由云計算的分布式中央處理單元、傳輸網絡和感應識別末梢組成[3－4]。未來的物聯網就像人體那樣，不同的感應識別末梢完成不同的功能處理，通過中央處理單元協同運作，最終組成智能化的控制系統[5－6]。隨著信息技術和物聯網的發展和普及，物聯網涉及到各類產業和人們生活的方方面面，將大大提升互聯和智能方面的特性，使實現智慧地球的夢想成為可能[7－9]。

本文提出一個基于物聯網的智慧實驗室設計方案，并在華北電力大學現代無線通信實驗室的改建項目中予以實現。智慧實驗室項目的建設，旨在提高實驗信息服務質量的同時，將RFID技術、無線傳感器網絡、ZigBee技術等物聯網技術應用于實驗室中，構建一個開放、共通的通信實驗室平臺。該平臺在全面采集和深度分析實驗數據的基礎上，提供互動、共享、協作的應用和服務，充分滿足教師、學生和實驗管理人員等不同用戶的需求，實現教育信息資源的充分利用[10－11]。

1 總體設計

為了充分體現各種網絡在傳輸中的功能，使學生全面了解現代無線網絡技術，智慧實驗室體系設計需要考慮以下幾個方面的需求：

（1）通過無線組網實現建筑物內部各層之間，同層各個房間之間數據的傳輸，構成實驗室體系的傳輸網絡；

（2）能夠體現不同的無線組網技術；

（3）能夠采集多種環境參數，從而全面監測實驗室環境，確保實驗室安全；

（4）實驗者和實驗設備能夠“物物互聯”、“物人互聯”、“人人互聯”；

（5）易于進行網絡部署、組網和擴展，僅需較少人工干預和配置，即可較快地組建網絡并開始正常工作。

根據上述功能需求，設計的基于物聯網的智慧實驗室體系結構如圖1所示。智慧實驗室體系主要由平臺子系統、中心服務器和客戶端3部分構成。平臺子系統利用溫濕度、光照、氣體、煙霧、圖像等多種傳感器件和射頻識別設備，全面感知環境和設備信息，然后利用RJ45接口，通過公共通信網絡（包括無線通信網絡和以太網），把感知的信息傳輸到物聯網實驗平臺的中心服務器并且保存到數據庫中，再利用平臺對收集到的信息進行分析和處理，最后客戶端可利用不同的終端進行訪問和控制[12]。

圖1 智慧實驗室體系框架

2 功能框架

智慧實驗室由5個功能系統和1個物聯網綜合體驗中心平臺組成。5個功能系統分別是：（1）基于無線ZigBee傳感器的智能家居系統；（2）實驗箱管理系統；（3）基于RFID技術的設備管理系統；（4）基于無線Mesh網絡的視頻監控系統；（5）基于電力線通信的智能用電管理系統。這5個功能系統通過物聯網綜合體驗中心平臺進行Web發布，其平臺的訪問頁面如圖2所示。

圖2 物聯網實驗中心平臺的訪問頁面

各個系統完成的主要功能如下：

（1）智能家居系統。通過控制臺和移動智能終端可以操控燈光、窗簾、空調等家居設備，并且可以實時監測、存儲和管理溫濕度和煙霧參數。通過無線傳感器可對特定區域的溫濕度、光照參數進行檢測，對可控的終端進行策略操作。例如檢測到室內溫度到達某一設定值時可以自動開啟空調；對煙霧變化進行檢測；對有可能發生的危害進行預警。

（2）實驗箱管理系統。通過無線網絡實現每個實驗箱與服務器端的通信。在實驗過程中，教師可以在服務器端的界面觀察到每個學生的實驗進程，更好地掌握學生的實驗進度，有助于教師及時發現和解決問題。實驗箱可以對做實驗的學生進行電子簽到，達到實驗室無紙化管理的目的。

（3）RFID設備管理系統。該系統主要完成實驗室內設備的管理功能，具體描述如下：

儀器設備庫：實驗儀器設備的購買入庫，對于儀器查詢和準確定位起到一定作用；

儀器借用管理：通過管理平臺，教師可以將空閑儀器設備借出使用；

儀器維修記錄：記錄儀器設備的維修、報廢情況；

操作記錄查詢：儀器的使用信息記錄和查詢；

智能圍欄：在貴重設備上加裝帶有傳感功能的定位標簽，除可以實時定位外，一旦設備離開特定區域就會觸發報警。

（4）智能用電管理系統。通過遙測和遙控可以合理調配負荷，實現優化運行，有效節約電能，并且通過終端軟件可以實現對電表的電流、電壓、功率及通信狀態的實時采集和監控，可實現對信息采集丟包率的分析，還可對超過預定設置的相關參數值進行報警。

（5）視頻監控系統。利用無線Mesh網絡產品組成無線數據傳輸網，在多個重要地點進行視頻監控。對特定區域的入侵、物品遺留、人體行為、物品丟失、實驗室人群密度等進行檢測。

（6）物聯網綜合體驗中心平臺。對智能家居、實驗箱管理、RFID設備管理、智能用電管理、視頻監控系統進行集成互聯，并通過一個中心軟件顯示并控制各個系統。也可通過互聯網進行遠程監視與控制，實現互動。系統可以利用單點、多點、局域網和廣域網為傳輸方式，進行無線和有線傳輸，以獲得全面綜合的體驗。

3 技術方法

智慧實驗室系統利用有線和無線相結合的網絡框架構建，能夠快速部署安裝，通過可視化物聯網綜合體驗中心平臺可以實現前述5個功能系統。不同管理模塊的網絡拓撲結構如圖3所示，其主要由部署在實驗室的無線傳感器基礎網絡、部署在不同樓層的無線Mesh網絡以及實驗室監控與管理中心3部分體系結構組成。

圖3 智慧實驗室網絡拓撲圖

3.1 基于無線ZigBee傳感器的智能家居系統

智能家居系統由環境感知層、信息網絡層和信息處理應用層組成，可以實現系統內各種設備的信息讀取與控制。

環境感知層由溫濕度、光敏、煙霧等傳感器及電視、電燈、窗簾等開關控制器件構建而成；信息網絡層采用無線技術和有線技術進行搭建；信息處理層用來控制中心系統連接電視機、空調、窗簾、臺燈等，通過感知層采集到數據，結合自定義的策略，運算得出結果，執行相應的動作。

各個終端節點采集到數據后，通過ZigBee協議發送給數據采集協調器，協調器通過有線與交換機相連并將信號送往 Web服務器，最終可通過Internet、GPRS等網絡進行遠程控制。系統路徑均可以實現雙向通信。

3.2 基于RFID技術的設備管理系統

運用先進的RFID技術，對固定資產管理模式進行優化與整合。實驗室門口安裝防盜讀寫器，只要有設備被移出實驗室，系統就會立刻報警。每個房間的設備資產都有統一的編號，方便對資產的轉移情況進行管理。

3.3 基于電力線通信的智能用電管理系統

智能用電管理系統依托校園網、電力線載波組網，硬件主要包括監控終端、采集器、智能電表、通信模塊、計算機等，軟件包括前置機軟件和測試客戶端軟件。智能電表之間利用電力載波通信，使用DL645-2007規約通信。

3.4 視頻監控系統以及實驗箱管理系統

用Strix Mesh產品的無線模塊（WLAN＋Mesh）搭建視頻監控系統和實驗箱管理系統，可以完成視頻信號在建筑物內部各樓層之間、同樓層各個房間之間的數據無障礙流暢傳輸。這是由于Mesh設備具有以下特點：

（1）低功耗、可靠性高、傳輸速率高；

（2）室內設備體積小，容易布網；

（3）網絡配置和維護簡便快捷；

（4）自組織，自愈合，可升級的多跳網絡；

（5）能夠實現數據自動轉發和管理；

（6）可與其他平臺設備互聯互通。

視頻采集終端和實驗箱通過無線網卡發送其采集到的實時信息，這些信息由Mesh節點收集到數據然后傳送到Mesh協調節點，由協調節點通過以太網傳送給交換機，然后連接到服務器上顯示采集內容。該網絡可以自動選擇帶寬最好的節點進行自動組網。

4 結束語

為了使學生全面了解各種網絡協議在物聯網技術中的傳輸功能，智慧實驗室系統采用RFID技術進行信息采集、采用ZigBee技術進行短距離布網、采用Mesh技術進行長距離無線網絡傳輸。該系統依托華北電力大學現代無線通信實驗室改建項目，已經建成了一個基于物聯網技術、開放共通的智慧實驗室平臺。

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[12]Yinghui K，Zhixiong C，Jianli Z.Experiment Platform Construction of Internet of Things for Training Ability of Engineering Practice[C]／／20122nd Teaching Seminars on Higher Education Science and Engineering Courses.Taian，2012.