智能實驗室的研究與設計

張波 周廣林 李金澤 李發英

摘要：該文在已有的對實驗室的各項環境數據進行監控及顯示的基礎上，我們在此對該項目的研究進行擴展和優化，以達到智能實驗室和移動端APP的切實聯系，使得項目的研究不僅僅是停留在笨拙的數據獲取與再現的淺顯層面，通過閾值處理和wifi網絡搭建協調器與移動端的雙向通信的橋梁，實現設備的自處理和人對實驗室內各項智能設備的信息反饋進行相應控制，實現真正意義上的智能控制。

關鍵詞：智能控制;網絡雙向通信;移動端APP;閥值自處理

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0251-02

1項目背景

本系統在第一階段的工作中展開。在第一階段的工作中：除了對整個系統的研究和設計進行了總的規劃外;硬件方面，主要完成了各類環境類型傳感器（如溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器等）的布置、職能劃分、硬件編碼和數據的單向傳輸（數據流由終端到協調器）;軟件方面，開發了簡約、美觀的APP對協調器所回傳的數據以實時的數值進行接收過濾、統計、格式化和展示。本文正是在這種背景下展開的。

2概述

第二階段的設計目標是：硬件方面，通過編碼的方式，實現燈光控制、窗簾控制、風扇控制、門窗監視和通風換氣等功能;軟件方面，借用第一階段的Android界面，新增閾值處理和語音識別技術;軟硬結合，實現實驗室的智能化管理。

3關鍵技術介紹

3.1 Zigbee網絡雙向通信

無線傳感器網絡是一種分布式傳感網絡，是用大量的傳感器通過自組織和多跳的方式構成的無線網絡，由于獨特的組網方式，其網絡設置十分靈活，可以和互聯網進行有線和無線方式的連接，甚至設備位置受到更改也絲毫不影響信息的傳輸。

3.2閾值自控制

由人來對各種傳感器傳回的信息進行選擇控制是不及時且不現實的。在傳感器代碼編寫時，通過給定某一類傳感器一個環境閾值，使得當環境信息超過或低于閾值時，由傳感網絡自行判斷對當前的環境做出何種反應，以此來提高系統的反應速度和資源利用率，降低使用者的壓力。

3.3語音識別

語音識別技術，也被稱為自動語音識別Automatic speechRecognition，（ASR），其目標是將人類的語音中的詞匯內容轉換為計算機可讀的輸入。在設計APP時結合訊飛語音識別技術開發了語音操作模塊。該模塊界面中給出相應的關鍵詞提示，以便在用戶不便手指操作時通過關鍵詞語音的方式，操作傳感器完成相應動作。

4需求分析

4.1系統功能需求

本系統主要由燈光控制系統、窗簾控制系統、風扇控制系統、門窗監視系統、通風換氣系統五大模塊構成。硬件方面主要是通過各種傳感器和Zigbee技術實現，軟件方面是通過An-droid實現。

5概要設計

5.1總體設計

硬件結構如圖1：軟件結構如圖2：

6詳細設計

6.1硬件設計

硬件的詳細設計主要圍繞著硬件的部署和硬件各部分的協調控制進行展開的，各個部分的工作方式及觸發條件，我們主要從以下五個方面進行闡述：

1）燈光控制系統：

燈光控制系統由光照傳感器、人體紅外傳感器、窗簾控制系統聯合組成。通過光照傳感器判斷室內亮度，當室內亮度超過最高閾值時，傳感器自動工作，燈管控制系統工作關燈，若低于最低閾值時，則自動開燈;人體紅外傳感器判斷實驗室當前情況下是否有人在，若室內無人，則窗簾控制系統工作拉上窗簾，燈光控制系統工作關燈，反之，處于關閉狀態。

2）窗簾控制系統：

窗簾控制系統由光照傳感器、繼電器、步進電機發揮主要作用。采集光照傳感器的數據并分析，根據編碼時的預設值，來控制窗簾的自動開、關來實現實驗室內的光照補償，節能減排。

3）風扇控制系統：

風扇控制系統由溫濕度傳感器、繼電器、人體紅外傳感器參與控制。通過溫濕度傳感器監測室內溫度，通過分析數據，根據編碼時的預設值，當室內溫度高于最高閾值時，繼電器控制開啟風扇。當室內溫度低于最低閾值時，自動關閉風扇。同時當人體紅外傳感器檢測到室內無人時，風扇自動關閉。

4）門窗監視系統：

門窗監視系統由紅外對射裝置主導，設置敏感時間喚醒安裝在門口的紅外對射裝置，當有人試圖非法進入時，信息通過網絡傳輸到樓層管理員的APP賬號，APP進行邏輯判斷后發出報警，警告有人非法入侵。

5）通風換氣系統：

通風換氣系統由抽風機、可燃氣體傳感器等器件構成。通過可燃氣體傳感器監測室內可燃氣體（甲烷）濃度，通過分析數據，根據編碼時的預設值，當室內可燃氣體濃度高于危險值時，自動開啟抽風機，排除室內可燃氣體，以免發生危險。

6.2軟件設計

軟件的詳細設計，基礎第一階段的雛形進行擴展，我們在硬件代碼編寫時，加入了預設值的判斷邏輯塊，使得傳感器網絡能夠根據閾值自行處理一些簡單的事務;APP方面進行了界面的美觀和代碼的重構，并添加了強大的訊飛語音輸入模塊，支持“懶人”操作。

新增功能：

閾值自處理：在系統中設置閾值，當低于或大于某個閾值時，系統能夠執行相應的功能。

語音識別：當收到語音指令時，能夠執行相應語音指令，如：開關燈、風扇的開關等。

7總結

高校實驗室的智能化所帶來的不僅僅是管理模式上的改進，更為重要的是，運用科技、改變生活的實踐活動與學生更加貼近，學生能更加真切地感受到科技所帶來的變化，激發起學習的興趣，提高教育質量。

本系統實現燈光控制、門窗監視、窗簾控制、風扇控制、通風換氣等功能，不僅改變了傳統的實驗室管理模式，而且提供了一個簡單、快捷、有效的管理方法，減少了實驗管理人員，提高了資源的利用率。