基于物聯網的實驗室管理系統關鍵技術研究

駱雪匯

摘要：本文根據高校開放式實驗室教學與管理需求而設計和實現的實驗室管理系統，主要從管理平臺、通信系統、電源管理、網絡層等幾項關鍵技術進行了研究，以Zigbee和Arduino為核心控制器，利用物聯網與各種傳感器、單片機構成節點，完成數據的采集、傳輸和處理。最終設計完成了一種基于物聯網技術的解決方法，滿足了高校實驗室開放式教學的要求， 達到了設計的預期目標。

關鍵詞：實驗室管理;物聯網技術;通信;電源管理

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0084-03

0 引言

近年來隨著高校翻轉課堂教學改革的發展和校園網上教學資源的逐步豐富。學生在課余時間進行網上學習的動力得到了加強，與此同時實驗室的日常開放學習也迫在眉睫，成為翻轉課堂教學改革建設中極為重要的部分。實驗室安防是校園管理的重要組成，然而伴隨著實驗室的開放需求所引出來的安全管理問題也日益突出。改進校園實驗室管理，采用物聯網技術是一個有效的解決方案。

物聯網的實質是利用射頻自動識別技術，通過互聯網實現物和物之間的自動識別及信息的共享，在這物與物相聯的網絡里，相互之間通信無需人的操作與干預。借助物聯網技術作為支撐，實現了信息采集靈活和傳輸可靠性高以及易維護等優勢，因此逐漸成為實驗室安全管理系統的發展和研究方向。本研究提出了運用目前應用越來越廣泛的物聯網技術，從根本上實現開放實驗室管理的智能化、自動化和實時化的管理系統平臺，并對其中的實訓室管理系統的幾項關鍵技術進行了研究。

1 基于物聯網技術的實驗室管理平臺設計

為了滿足高職院校的實驗室開放式教學的實際需求，本文研究設計了基于物聯網技術的實驗室管理平臺。平臺的初步解決方案，此管理平臺主要包括硬件系統、架構和軟件系統三大部分。系統架構如圖1所示。

管理平臺借助于遠端PC或移動終端設備，可通過學校校園網連接實驗室管理系統的服務器，實時地了解實驗室的運行狀況，并進行相應的管理分配。而物聯網的無線設備接入點則共同組成“無線傳感網”，通過射頻技術（RFID）、傳感器實現智能化識別、定位和監控當前運行狀態，并進行相應的控制。因此在本項目內容里重點完成了ZigBee通信系統模塊和遠程節點設計關鍵問題的研究。

2 基于ZigBee的通信系統設計

2.1 Zigbee的選用

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。是一種物聯網無線數據終端，利用ZigBee網絡為用戶提供無線數據傳輸功能。Zig Bee由于其可靠性、低功耗、時延短、網絡容量大、安全等特性在無線傳感器網絡中，已廣泛應用于物聯網產業鏈中的M2M行業。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，如智能電網、智能交通、智能家居、供應鏈自動化、工業自動化等，可以嵌入各種設備。隨著開源單片機系統開發平臺Arduino的應用普及，基于ZigBee協議標準的XBee系列產品應用較為廣泛的是Digi公司的XBee，XBee按照性能分為XBee和XBee pro兩種，XBee pro相對于XBee具有更高的功耗和更遠的傳輸距，這里因實際需求選用XBee pro。

2.2 XBee的設置

XBee是一個無線的通信模塊，因此將XBee通過USB口與電腦相連，XBee模塊與單片機的串口通信有transparent和API兩種操作模。將XBee模塊通過串口與PC相連，使用XCTU對模塊進行測試、修改參數，首先搜索與PC連接的XBee模塊，默認波特率為9600。成功添加XBee模塊后選中XBee模塊可以獲取到該模塊對應的配置參數并進行修改，設置軟件的“Modem Configuration”選項修改“PANID”等參數再寫入到XBee模塊。因為對于屬于同一個網絡中的XBee模塊來說這個參數一定要相同。

2.3 將XBee連接到Arduino

為了增強整個系統的功能，需要將XBee連接到單片機上，本項目選擇開源單片機開發平臺Arduino作為XBee模塊的控制面板。XBee是通過串口通信（即TX，RX口）實現與單片機的通信，同時Arduino與電腦之間的通信也是通過串口。

兩個Xbee分別插在Xbee適配器上，與電腦連接。用XCTU對兩個Xbee進行點對點配置，參數設置如下：2個模塊都設置ZS=2 SC=8，ID設置相同;A模塊為協調器 AT，即CE=1;B模塊為路由器 AT，即CE=0;A的DH設置為B的SH，A的DL設置為B的SL;B的DH設置為A的SH，B的DL設置為A的SL;JV為1。

配置好后，取下Xbee。將兩個Arduino連接電腦，分別燒錄程序。因為我們需要用到兩個串口，而Arduino只有一個串口，因此需要設置軟串口。這里使用數字引腳2、3模擬軟串口，將2設置為RX，3設置為TX。完成后接電源可以在本地端的Arduino串口監視器里開始發送數據。要實現成塊數據的傳輸比如將采集到的各種傳感器數據發送和接收，則要根據模式重新設置。本項目使用Arduino可以根據實際需要采用大多數常見外圍器件及其第三方函數庫，這樣就大大地減少編程工作量或降低編程的難度。

3 遠程控制節點設計

3.1 門禁控制系統設計

門禁控制是實驗室管理的重要組成部分，其主要由射頻識別、單片機、ZigBee網關、上位機組成。因為學校的每位學生都有學生卡且教師都有自己的教工卡，故可以采用射頻識別這種無線通信技術，利用無線電訊號識別特定目標并讀取相關數據。每位使用人員的卡均有不同的信號數據，通過檢測其中的不同頻率信號進行識別，并將該數據通過物聯網傳送至服務器，然后管理系統進行信息比對，進而判斷該請求是否有效，再將處理結果通過物聯網反饋到Arduino單片機控制器進行最終的控制處理，流程圖如圖2所示。

3.2 電源控制模塊設計

電源控制模塊以Arduino單片機為控制器核心，通過ZigBee通信模塊與服務器控制端進行通信，接收服務器端的電源控制和查詢命令。另ZigBee無線通信模塊與Arduino單片機通過串口通信，驅動繼電器來實現對工作臺交流電源開關的控制。工作臺電源控制模塊的總體結構如圖3所示;220V交流變12V、3.3V雙路直流輸出模塊提供電壓;繼電器控制電路控制電源電路開關以及反饋工作臺電源狀態。

工作臺電源控制模塊的繼電器控制電路原理圖如圖4所示。由地Arduino單片機I/O管腳驅動電流最大為20mA，然而工作臺電源控制模塊使用的12V常開繼電器的負荷電流達到50mA，超過Arduino引腳最大電流。為解決Arduino管腳的驅動能力不足問題這里重新設計了一個兩級三極管放大電路作為繼電器的驅動電路。Q1、Q2 分別使用PNP和NPN三極管，繼電器線圈作為Q2三極管的集電極輸出負載。為了讓工作臺的交流電電源閉合，那么RELAY-CON控制端口就要輸出低電平，這時Q2三極管集電極與發射極之間導通，繼電器線圈得電吸合即可。反之如果要切斷工作臺繼電器線圈電路，這時RELAY-CON輸出高電平，交流工作電路完成斷開。

同時還設計了反饋電路將工作臺交流電源的閉合或者斷開狀態反饋給上位機，電路如圖4所示。RELAY-STA端口是上位機讀取工作臺交流電源狀態的端口，同時為保護上位機，這里設計了隔離光電耦合開關將交流電源與單片機電路隔離起來。

Arduino控制工作臺電源模塊的流程圖如圖5所示，控制流程主要包括初始化、接收服務器處理端命令、校驗編號是否一致和執行控制端的命令。初始化程程序主要完成Arduino控制器的初始化設置，完成初始化后，將進入主程序循環運行，如果這時接收到服務器端發來的命令，則對命令中的編號與學生校園網系統內容預約工位的編號進行比對是否一致，如果編號一致，這時工作臺電源控制模塊將執行打開命令，否則一直循環等待。

4 物聯網網絡層設計

現在所有的云端的物聯網平臺和設備之間的通信，本質上都是建構在TCP/IP協議之上，只是對數據包的再封裝而已，因此我們可以用wifi，4g來實現設備和云平臺的通訊，不過設備與設備之間的通訊，可以有wifi，Bluetooth，zigbee等。

而本項目中Arduino單片機與實驗室管理上位機服務器之間通過zigbee串口協議進行信息交互，Arduino將傳感器的數據發送至上位機服務器電腦，然后服務器通過指令開啟http：sudo service apache2 start。

網頁服務器開啟之后，實驗室的實時數據可以傳輸至網絡端，并為跨平臺的多終端設備提供訪問服務。這些終端設備中要打開瀏覽器，然后輸入服務器的IP地址即可以訪問查看實驗室的實時數據信息。本設計采用了TCP/IPv6協議，不同網段的設備也都可以通過這個ipv6地址訪問到系統。

5 結語

本文針對我們提出的高校實驗室管理方案，使用Arduino單片機作為控制器，ZigBee作為通信模塊，設計了實驗室電源等控制的管理系統。這種設計不但避免了使用復雜的控制芯片，成本也不高，達到了設計的預期目標。

本系統不僅能夠正確地接收來自物聯網的指令并對其進行解釋，也能夠根據系統設計的需求進行擴展，控制實驗室的設備按照主機的要求運行并有足夠的精度和穩定性。

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