基于物聯網技術的實訓室智能管理系統設計

文/劉英明

當前，物聯網技術以其獨特的全面感知、智能處理和無處不在等特點受到了廣泛的應用，在全球一體化的趨勢下，高效的實驗室管理與信息化建設受到了越來越多的重視。本文所研究的系統以促進信息技術與教育教學的深度融合為核心，不斷創新教育信息化建設的新模式，加強數字化校園應用平臺建設和優質數字教育資源建設與共享，以便更好的服務于教學、科研和管理，提升綜合實力，發揮示范引領作用。本系統主要實現實訓室智能門禁管理，包括采用云存儲的門禁系統，軟件系統包括PC端應用程序、手機應用小程序等。

1 系統總體設計

系統采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi組網模式，管理中心與各個門禁控制器之間采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi通訊。系統保障了數據整體的高速傳輸，同時能夠大大提升可掛載的門禁控制器數量，滿足很多應用場景的使用。控制器存儲的大容量保障了在網絡不通暢時門禁系統依舊可以正常的工作，正常的記錄各種事件和信息。減小系統對管理中心的依賴，使系統的應用更為靈活。如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統將物聯網技術在智慧生活如智能家居、智能樓宇等方面的部分結構和特性應用到智能實訓室管理中，為物聯網技術的新發展提供全新的思路。基于物理網技術的實訓室智能云管理平臺主要包括硬件系統和軟件系統兩部分，其中硬件系統包括如下模塊：

2.1 門禁控制器模塊

圖1：系統總體架構圖

具有遠程網絡控制功能，用戶可以通過廣域網，實現對門權限的遠程控制。同時，門禁主機本身已具備計算、存儲的功能，相當于一臺小型計算機，云端通過網絡把此門的權限信息下載到門禁主機，門禁主機存儲這些權限信息，即可不依賴于網絡頻繁訪問云端，門禁主機能自動識別、讀寫、存儲進出人員的資料，也可更改人員權限或讀取出入記錄等。

2.2 監控模塊

采用帶IP的云臺視頻監控攝像頭，實時監測實訓室內情況，并且可實現云臺控制。信號采集電路主要包括接近開關、人體感應開關、煙感傳感器等。

2.2.1 系統主控模塊

采用Atemga128單片機為控制核心模塊，32個可編程I/O口，16KB的可編程Flash，它具有高性能、低功耗以及運算速度快、處理能力強等特點，支持擴展的片內調試功能。

2.2.2 信號采集模塊

信號采集電路主要包括接近開關、人體感應開關等。

接近開關是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而是否有物體經過。所有能反射光線（或對光線有遮擋作用）的金屬或非金屬物體均可以被檢測。光電接近開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。

人體感應開關也叫紅外感應開關，當有人從紅外感應探測區域經過便自動開啟檢測，其主要器件為人體熱釋電紅外傳感器。由于人體溫度會恒定在37攝氏度，會發出10微米左右特定波長的紅外線，人體感應開關的紅外探頭能探測到人體發射的10微米左右的紅外線從而進行工作。

3 系統軟件設計

物聯網平臺是一個靈活可配置的軟件系統，通過簡單的操作，用戶可以增加、刪除傳感器類型，可以增加、刪除傳感器控制命令，還可以對協議進行修改。智能實訓室中間件層提供以用戶為中心的融合業務層，提供用戶接口和不同制式的智能實訓室服務。通過智能實訓室組網多層協作的自適應QoS，自適應匹配異構網絡及終端設備，充分保證端到端的媒體、語音、安防等多種業務的服務質量。

物聯網管理平臺與傳感器網絡之間按照《網關節點接口協議》進行通信，與應用程序之間按照《中間件與應用程序通信協議》進行通信。通過該平臺，應用程序可以與傳感器網絡相互通信，獲取數據物聯網網關可以連接使用TCP/IP、GPRS等不同網絡協議的傳感網。與傳感網的sink節點間的通信報文為二進制數據流，與物聯網應用之間的通信報文為類HTTP的精簡UDP數據包并提供節點事件訂閱和對傳感網中執行器的控制接口。中間件層包括通訊和服務協議、數據庫兩部分。

3.1 系統控制設計

系統控制上電后首先將進行單片機的初始化設置，如引腳的功能設置、時鐘設置，串口設置等；然后發送命令開啟通信模塊TC35，并作相關設置，然后通過發送AT命令來控制TC35進行信息的收發。

3.2 TC35通訊設計

TC35收到信息時，其能夠通過串口發出相應提示信息，單片機也可以通過串口向其發送各種控制命令和待發送的消息內容。

TC35模塊通過AT+CMGR指令判讀短信來電，并與事先寫入單片機EEPROM的授權的認證信息等內容進行比對，即可執行相應控制動作。現場報警傳感器觸發時，系統則立即將對應的消息內容發送給遠程的系統管理員。

3.3 通訊和服務協議

物聯網網關可以連接使用TCP/IP、GPRS等不同網絡協議的傳感網，與傳感網的sink節點間的通信報文為二進制數據流，與物聯網應用之間的通信報文為類HTTP的精簡UDP數據包并提供節點事件訂閱和對傳感網中執行器的控制接口。

通訊和服務協議主要任務是把各種協議都轉換成標準GPRS協議，協議轉換節點包括Wi-Fi轉GPRS節點、Zigbee轉紅外節點和GPRS轉網口節點。Wi-Fi轉GPRS節點采用核心板和底板的組成模式，其中核心板采用三星Cortex A8 S5PV210處理器，并且集成了USB Wi-Fi模塊。底板采用Atemga128和TI CC2420芯片，實現了GPRS協議，底板和核心板通過高速串口相連，這樣就實現了GPRS和Wi-Fi協議的無縫轉換。GPRS轉紅外節點由無線模塊和紅外模塊兩部分組成。

3.4 數據庫軟件設計

數據庫管理平臺軟件與傳感器網絡之間按照《網關節點接口協議》進行通信，與應用程序之間按照《中間件與應用程序通信協議》進行通信。通過該平臺，應用程序可以與傳感器網絡相互通信，獲取數據并執行查詢、控制操作，協議的轉換由平臺來完成。物聯網平臺管理傳感器網絡，并對數據進行解析、存儲，并為應用程序提供了訪問接口。

物聯網平臺是一個靈活可配置的軟件系統，通過簡單的操作，用戶可以增加、刪除傳感器類型，可以增加、刪除傳感器控制命令，還可以對協議進行修改。

3.5 網絡終端可視化系統結構以及與中間件通信方式

物聯網綜合管理系統的客戶端運行在PC的Web上，能夠與中間件及數據庫通信，獲得物聯網采集的數據并進行圖形化顯示。數據分為低速傳感器數據以及中高速的視頻數據，其中物聯網各類傳感器數據直接讀取數據庫，中高速視頻通過《應用程序與傳感網中間件通信協議》與中間件通信獲得。本客戶端可視化程序旨在對物聯網相應的應用以可視化的方式進行展示。

4 結論

本系統所設計的基于物聯網技術的實訓室智能云管理系統，是利用互聯網控制，來實現實訓室管理信息的收發與數據的無線傳輸。本系統設計成本較低，運行穩定可靠，已經在學校智慧校園建設、實訓室智能化管理中起到了重要作用，具有廣泛的商業價值和市場價值。