基于云端一體的實驗室監控系統設計與實現

劉 明, 陳講清, 聶銀鑫

(華中師范大學 計算機學院, 湖北 武漢 430079)

為了實驗室的安全需要,各實驗室重視監控系統的建設[1]。目前國內高校實驗室大多采用視頻監控、火災探測報警等方案,該方案往往由企業承接工程后實施,需要一次性的較大投入,建設及維護成本高,而且監控范圍有限,安裝點固定不變,很少提供通過移動終端進行遠程監控的功能。

智能手機的普及及物聯網技術為實驗室安全監控提供了很好的移動應用解決思路[2],本文利用APICloud云平臺、樹莓派及傳感器等設計一個遠程監控系統。系統底層以樹莓派為監控單元,通過各類傳感器采集現場的溫濕度[3]、煙霧[4]、光照、視頻、圖像等數據[5-6],通過電路板上GPIO引腳控制電機及繼電器等現場設備。樹莓派用作設備網關與中間層的APICloud云平臺建立連接,將底層數據實時傳輸到云服務器存儲[7]。APICloud同時為底層和終端提供數據服務,用戶通過移動終端App可以遠程查看多個被監控設備、控制現場設備以及實時獲得安全異常提醒等[8-9]。本監控應用系統采用云端一體化結構,數據安全存儲在云服務器上,支持遠程查看多個被監控設備,新增傳感器及開關設備[10]。

1 監控系統的總體設計

1.1需求分析

根據實驗室的建設經驗以及在實驗室工作的體驗,總結出的功能性需求如圖1所示。

圖1 監控系統功能結構

(1) 用戶管理。設定的系統用戶主要指實驗室管理人員。

(2) 傳感器管理。包括對監控單元的注冊、登錄、添加、刪除,以及對各傳感器的添加與刪除。

(3) 溫度等監控。顯示溫度、煙霧、光照等傳感器數據變化的折線趨勢,統計監測次數以及設置監測數據異常的預警閾值。

(4) 圖片拍照。監控現場的照片拍攝操作,以及照片查詢、瀏覽和下載。

(5) 視頻錄像。監控現場的視頻錄像操作,以及視頻查詢和播放。

(6) 開關設備控制。遠程控制本地設備的開關閉合操作,并在控制臺上顯示設備開關狀態。

1.2 總體架構

基于云端一體的APICloud提供2個API,即“云API”和“端API”,其中“云API” 包括數據服務、推送、云修復和大數據分析等,因此采用APICloud云平臺結構可以簡化監控系統的開發,其結構見圖2。

圖2 APICloud平臺

實驗室監控系統的總體架構包括底層、APICloud云平臺和移動終端3個部分,如圖3所示。其中,底層由樹莓派通過傳感器采集獲取實驗室現場信息,同時樹莓派也可以根據終端發來的命令控制傳感器。

圖3 系統總體架構圖

APICloud Studio可用于開發iOS和Android兩種終端設備,用戶使用移動終端可以訪問APICloud的后臺數據庫,查看采集的現場信息以及對傳感器進行遠程控制操作。此外,系統開發時為了減輕云平臺的網絡流量負擔,以樹莓派為核心搭建了一個存儲視頻錄像信息的本地服務器,移動終端可以遠程獲取實時視頻流,實現視頻監控功能[11]。

1.3 模塊設計

根據監控系統的功能需求,設計了6個主要功能模塊,包括用戶管理、傳感器管理、溫度等傳感器監控、圖片拍照、視頻錄像以及開關設備控制。按照功能的劃分可以將該系統劃分為底層監控單元、云平臺和終端3個部分。底層監控單元和終端之間通過云平臺進行數據通信,實現云端一體的架構。用戶在移動端可以執行顯示查看數據、管理、通信等操作[12]。

2 云端一體實驗室監控的實現

2.1 底層監控單元的實現

系統的底層監控單元由樹莓派和傳感器組成,樹莓派是一種基于ARM-Linux的卡片式嵌入式電腦,Raspberry Pi 3B型集成WiFi模塊可實現網絡通信,并通過GPIO口與傳感器進行連接。在樹莓派的Linux系統中采用Python作為開發語言,使用Python的GPIO包實現樹莓派獲取傳感器的信息以及控制傳感器的操作,使用APICloud平臺提供給Python的API來實現數據的上傳和下載。Python數據處理流程見圖4。

系統各個監控模塊對應使用不同傳感器,見表1。用戶可以根據實驗室監控具體需求增減或更換其他傳感器模塊,以實現有特色的功能服務組合。

圖像和視頻模塊采用樹莓派配套的500萬像素攝像頭,通過樹莓派的CSI接口連接。編程開發時需要使用3個基于命令方式的應用程序實現數據采集,包括用于捕捉圖像數據的 raspistill 和 raspistillyuv,以及用于捕捉視頻數據的raspivid。運行3個應用程序時,通過改變內置命令參數可以捕捉到不同格式效果的圖片視頻,便于使用shell腳本或者Python語句來控制攝像頭采集所需數據。

針對嵌入式終端設備在處理視頻、圖像等多媒體數據時往往存在資源受限問題,在后臺使用Python搭建服務器網關接口時,采用開源視頻服務軟件MJPG-streamer提供的軟件構架進行開發,實現實時視頻查看功能?？蛻舳送ㄟ^訪問該服務器,除查看實時視頻圖像外,還可以控制云平臺設備,獲得多個角度的圖像。底層配置后監控單元如圖5所示。

圖5 底層配置后監控單元

2.2 系統云平臺的實現

監控系統可以將APICloud云平臺用作Web服務平臺?！霸艫PI”支持自動生成RESTful API、在線NoSQL數據表設計、API調試及用量分析,方便開發者使用。底層監控單元通過APICloud提供的“端API”將數據上傳到數據庫,用戶終端通過“云API”從數據庫取出數據。同樣,終端也可以通過“端API”控制底層監控單元的操作行為。系統采用APICloud云平臺提供的數據庫,數據庫表單信息見表2。

表2 APICloud云平臺數據庫表單信息

2.3 系統終端的實現

監控系統集成了用戶管理、傳感器管理等6個模塊,全部功能都要通過終端界面呈現給用戶,系統與用戶之間進行交互。因此系統開發提供的用戶終端主要包括登錄注冊界面、設備管理界面、監控界面以及傳感器狀態監測界面。

用戶將用戶名和密碼通過界面注冊到表2中的_user表單中后,就可以通過該用戶名和密碼進行登錄操作。圖6的設備管理界面將用戶在其賬戶下添加的設備存儲在本地,便于用戶進行選擇。

圖6 設備管理界面

圖7的監控界面作為主界面用于實現傳感器管理、傳感器數據監控、圖片拍照以及視頻錄像功能。通過監控界面頂端的窗口可以查看底層監控單元獲取到的實時視頻流,開始拍照和開始錄像按鈕用于截取圖片和錄像。

圖7 監控界面

這些操作需要根據傳入的參數獲取云端數據庫的數據。主要實現代碼如下:

functiondataGet() {

//獲取操作界面上的傳入參數

varnumapis = document.getElementById(′numapi′).value;

varfacs = document.getElementById(′fac′).value;

var fads =document.getElementById(′fad′).value;

numapis = parseInt(numapis);

facs = parseInt(facs);

fads =parseInt(fads);

client.setHeaders(″authorization″,$api.getStorage(′token′));

var Model =client.Factory(″tempr″);

//根據傳入參數查找云端數據庫中的數據

Model.query({

filter : {

where : {″uip″ : myip},

fileds : [″ds18b20″, ″cpuwd″],

skip : 0,

limit : numapis,

order : ″createdAt DESC″}},

function(ret, err) {

//將滿足條件的數據取出

if(ret) {

varimglen = ret.length;

ds18t.length = 0;

cput.length = 0;

varmaxc;

varmaxd;

var dt = ret[idx][′ds18b20′];

varct = ret[idx][′cpuwd′];

ds18t.push(dt);

cput.push(ct);}

maxc = Math.max.apply(Math, cput);

maxd = Math.max.apply(Math, ds18t);

myvioce(maxd, fads, maxc, facs);}});}

傳感狀態按鈕(見圖8)用于查看傳感器狀態以及增加新的傳感器,設備開關按鈕用于打開和關閉各個傳感器。監控界面的溫度趨勢曲線(見圖9)用于監測環境溫度和CPU溫度,顯示出當前查詢記錄的最大值、最小值以及平均值。用戶可以改變報警閾值和調節系統靈敏度。若檢測到環境參數超出所設置的報警閾值,移動終端會自動語音提醒狀態異常。

圖8 新增光照傳感器

圖9 設置溫度閾值

2.4 系統測試

監控系統軟件安裝在安卓手機上。分別對用戶管理、傳感器管理、溫度等監控、圖片拍照、視頻錄像以及開關設備控制6個功能的實現情況進行反復測試,重點關注底層監控單元上傳數據和終端獲取數據的流暢性和穩定性以及增刪設備時系統的魯棒性。整體的測試情況表明,實驗室監控系統能滿足功能需求,具有數據可視化、簡便清晰、易于查看、系統的操作具有靈活性和個性化特點。

3 結語

基于云端一體的實驗室監控系統通過樹莓派等硬件和APICloud云平臺的結合,控制本地底層監控單元和云服務的數據流,能滿足監控系統的功能需求。同時,云端一體結構極大地縮短了系統開發周期,降低了開發成本。在建設和后期維護中,使用集群樹莓派及相應傳感器等能夠以較少的投入快速搭建或擴展監控系統,并且根據現場實際環境位置靈活調整監控區域,因而系統的實用性強。未來可以在樹莓派上進行更多的功能實現和拓展,使監控系統的應用范圍更加廣泛。