基于物聯網技術的物流實驗室遠程監控系統

蔣林華，柯育華

（華僑大學 工商管理學院，福建 泉州 362021）

1 引言

隨著高校物流實驗室建設越來越全面高端，實驗室的防火防盜等安全管理已經成為日益重要的問題。如何利用高新技術快速有效地發現實驗室安全存在的隱患并提高管理水平已經成為高校實驗室管理者的主要任務。高校實驗室安全面臨的事故主要有火災、水患、爆炸以及儀器設備丟失等問題，然而物流實驗室使用頻繁、人員流動大、位置分布廣，利用人工實時監測管理這些實驗室存在的安全隱患容易造成管理不便或管理不到位，也需要更多的人力和物力，監管這些實驗室和設備儀器單靠傳統的管理人員現場監管方式顯然是不行的，儀器設備使用人員的疏忽大意或不按儀器使用流程操作都有可能導致實驗事故[1]。

大多數高校物流實驗室儀器設備都實現了共享，無論是校內學生和教師還是校外研究人員都可以申請使用這些設備，使用頻繁、人員復雜、流動性大是共享實驗室的主要特點。但傳統的實驗室儀器環境安全監測基本上采用人工定時查看的方式進行管理，這種管理模式無法高效快速的將所有的物流實驗室環境變化直觀地顯示出來，同時也不利于動態記錄物流實驗安全信息，存在很大的安全隱患。因此，建立以物聯網為基礎的智慧物流實驗室來監測環境安全變化消除安全隱患就顯得尤為重要[2]，物聯網是在互聯網環境中，利用物聯網裝置、傳感器、視頻探頭、物聯網移動平臺APP及云端系統構建一個智慧物流實驗室安全智能化監測系統。物聯網的信息來源是由各種各樣的不同類型的智能感測設備所提供，如視頻監控、物品定位、各種類型的感測器（可偵測濕度、溫度、位置、煙霧、氧氣濃度等），這些設備通常主要的工作是進行信息收集，因此在網絡數據傳輸過程中依靠不同的網絡傳輸協議，各種物與物、物與人相連接所組成的物聯網形成一個以ZigBee技術和通用分組無線服務（GPRS）技術廣泛應用的信息管理網絡[3]。

2 基于物聯網技術的物流實驗安全系統整體設計

物流實驗室安全智能化遠程控制系統基本組成設計如圖1所示，該系統大致由感知層、通訊傳輸層、控制層、管理應用層四個部分組成。其中，感知層主要由各種定位追蹤器和監控器構成，實驗室可安裝的傳感器種類比較多，常用的傳感器主要包括溫度傳感器、門禁傳感器等控制設備，它是物聯網應用層獲取各種實驗室環境安全信息最關鍵的設備，負責實驗室安全數據的采集和上傳，在室內主要針對實驗安全門禁監控、水電監控以及貴重儀器設備的定位追蹤等容易導致安全事故和儀器設備丟失傳感器設備；通訊傳輸層主要包括物聯網信息分析處理和物聯網通訊協議，通過CoAP協議可以自物聯網終端設備開啟電源時就自動連接到物聯網網關，無須人工操作，物聯網協議CoAP Server能讓物聯網網關獲取監控器或傳感器感知的信息，CoAP服務器端則將所獲得信息以某種通用的數據模板方式呈現出來，供移動終端設備和云端讀取信息，利用MQTT協議以發布-訂閱的信息傳送模式，來提供多對多的信息分配；控制層用來接收收集到的感測信息，同時協助多臺感測器之間的信息傳輸與溝通；管理應用層包括數據信息顯示、接收、存儲和移動智能設備接收顯示，獲得授權的移動終端查看信息必須通過APP程序或云端平臺，通過移動終端APP或顯示大屏智能化遠程控制室內傳感器的運行與停止。

2.1 物流實驗室防火災控制模塊設計

圖1 物流實驗室安全管理系統原理框圖

物流實驗室需要用電的設備數量多，室內溫度過高會引起火災或爆炸事故，同時貴重精密儀器對實驗室內部溫度要求嚴格，需要安裝溫度傳感器和監測器來監控溫度變化，以防止物流實驗室安全事故的發生[3]?？傊?，遠程溫度監控系統可以掌握節省人力資源增加管理人員操作安全，經過遠程主控終端就可以物流實驗室內部溫度的變化情況，當溫度高于某個設定的范圍時，就會發出警告信息并回傳自動化控制[4]。物流實驗室內部溫度監控模塊包括AD590溫度感應器、A/D轉換電路、單晶片微處理器AT89S51、ZigBee無線射頻模塊、MQTT云端服務平臺等模塊，整個溫度監控模塊設計如下：通過AD590溫度感應器獲取溫度，經A/D轉換電路轉化為數字信號傳輸到單晶片微處理器電路取樣、分析、存儲再通過ZigBee無線射頻和GPRS遠程數據傳輸模塊將信息發送到遠端的主控電腦或移動智能終端接收、存儲、判斷并將反饋信息回傳至遠端傳感器，當遠端傳感器接收到警告時，便會啟動報警系統（亮燈或鈴聲），告知實驗管理人員進行緊急處理或自動控制溫控系統[5]。

溫度檢測模塊采用9V特種電源轉化正負4.5V的電壓電源，此正負4.5V是供給溫度感測器電路；同時經過穩壓器供給A/D轉換電路及單晶片收取電路。使用AD590溫度感應器，當電壓為4-30V時，其電流會隨著溫度變化大小形成線性改變，AD590溫度感應器對溫度T的電流關系式如下：

I為其輸出電流，單位為μA；t為攝氏溫度；A為攝氏零度時的電流值，該值恰好與冰點的熱力學溫度173K相對應。B為傳感器的靈敏度（一般AD590的B=1μA/℃）。實驗室溫度控制的電源設計如圖2所示。

當物流實驗室內部溫度超過28℃觸感器就會自動發送紅色的數據信息到物聯網上，實驗室管理人員智能手機或平板上的物聯網APP處于開機狀態都可以收到網絡發送的警報信息，實驗室管理人員可以在手機/平板APP與云端介面進行監控，如啟動空調或排氣扇設備。

圖2 物流實驗室內部溫度控制系統的電源設計圖

2.2 物流實驗室防盜智能門禁監控設計

物流實驗室貴重儀器防盜管理也是安全管理的重要組成部分，可以將門禁管理、人臉識別、視頻監控及GPRS網絡技術相互結合，建立一個智慧型遠程物流實驗室安全管理系統。智能門禁管理系統能全天候記錄實驗室人員進出時間，能自動識別人員進入的合法性，有效地保護了實驗室的儀器設備安全。物流實驗室智能門禁監控模塊包括攝影相機、單晶片微控制器、MQTT云端服務平臺等模塊，整個門禁監控設計如下：利用相機撲捉訪客的面部特征，經過單晶片微處理取樣、分析、存儲并與資料庫中的影像做比對，以判斷是否允許進入。實驗室內安裝無線磁力門傳感器、紅外線發射器防止非法入侵者進入，只要觸發任何一個設施的觸感器，管理人員的智能手機或平板上都能收到警報提示，并通過監控獲得實驗室現場照片和視頻[6]。物聯網門禁監測系統實現24小時實驗室遠程安全監測，彌補了實驗室內無人值守時的安全空白。實驗室智能門禁監控流程如圖3所示。

圖3 智能門禁人臉識別流程

3 基于物聯網技術的物流實驗室遠程控制模塊設計

智能化遠程控制管理模式需要感測設備和門禁系統將采集到的信息傳輸到微處理主機，并將處理后的信息利用GPRS傳輸到云端系統，以便移動智能設備通過APP能隨時接受、查看、控制感測設備。遠程瀏覽訪問端主要通過校園無線網絡直接查看實驗室環境信息，移動終端查看信息必須通過APP程序或電子終端平臺連接到云平臺系統，自動連接機制可以自動的連到物聯網網關，由CoAP客戶端控制網關上的物聯網終端獲取數據，也可以通過物聯網云端平臺控制物聯網終端，云端平臺與智能手機或平板電腦不同的是，云端可以一次顯示多臺網關上的物聯網終端的信息，智能手機或平板只能顯示一臺網關上的物聯網終端信息。不同設備采用的通訊協議是不同的，網絡上連接的各種傳感器收集并過濾感測信息通過物聯網協議上傳至云端信息庫，以便建立物聯網設備、處理器與終端設備之間的聯網通訊，因此需要導入開放式通訊協議MQTT（MQ Telemetry Transport）作為物聯網的通訊協議，建立主控界面與傳感器之間的訂閱/發布模式，解決不同傳感器通訊傳輸問題，并達到信息傳輸輕量化、快速化目標[7]。MQTT是為了物聯網而設計的網絡協議，它通過發布-訂閱的方式來實現遠程控制信息傳送。發布-訂閱方式有三種身份：發布者（Publisher）、訂閱者（Subscriber）以及主題（Topic），發布者作為信息的來源，會將信息發送給中介端的主題，而訂閱者向中介端注冊關注的主題，表示想要接收此主題的信息[8]。因此當有某個發布者對主題發送信息時，只要是有此主題注冊的訂閱者，都會收到此則信息。MQTT協議通訊模型如圖4所示。

圖4 MQTT協議通訊模型

基于MQTT通訊協議的遠程控制設計如下：安裝在移動智能終端設備的MQTT云端服務應用程序（APP）可發布感測器控制的MQTT信息到云端平臺，就能由訂閱MQTT信息的遠端控制系統執行實驗室內各項感測設備和門禁設備的遠端命令功能[9]。遠程控制基于MQTT通訊協議的關鍵技術說明如下：

（1）傳感器與網關的自動連線。在物聯網（IoT）網絡中，需要網絡連接的設備越來越多，這時會面臨網絡設置的問題。如果每天設備使用手動連接設定，那需要花費大量的人力和時間。所以建立一個基于物聯網技術的實驗室安全控制系統必須采用自動連線設計，才能實現物聯網終端、移動智能終端與物聯網網關的自動連接，只要智能手機或平板電腦打開智能控制APP，就能自動連到物聯網網關。

（2）信息源編碼傳輸協議選擇。隨著網絡技術的發展，能連接網絡的儀器設備也越來越多，但不同品牌的連接器編碼功能也不相同，這就造成了物與物連接的障礙。因此，本文選擇國際IPSO通行標準，來完成物聯網平臺中各種物聯網終端設備的通融性[10]。IPSO通訊標準旨在推動IP協議作為網絡互聯網技術用于連接傳感器節點或其他智能設備以便信息的傳輸。

（3）物聯網網關與終端、移動設備與云端的信息傳輸。在物聯網系統中，有它的局限性，如：低功耗、運算頻率較低、主內存少等，當軟件在這樣受局限的硬件上運行，一般網絡所用的HTTP有“封包太多”及“封包太大”的問題，不但會消耗硬件資源，同時也考驗硬件的運算能力[11]。因此需要一個比HTTP更適合的應用層協議來做物聯網的協議。本文的物聯網系統平臺采用CoAP作為信息傳輸的協議。相對于TCP和應用層HTTP協議，CoAP協議是一種應用層協議，它運行于UDP協議之上，效率更高，所用的網絡資源更少。

（4）物聯網網關與云端之間的溝通、注冊。在新的物聯網網關加入時，云端是無法知道有新的物聯網網關加入，因此這需要一套機制來告訴云端來做注冊的事情。本文采用MQTT信息傳輸技術來實現注冊的功能[12]。MQTT是為物聯網而設計的網絡協議，通過發布-訂閱的方式來進行信息傳輸，因此當訂閱者訂閱某一個主題后都會收到此則信息。

4 基于物聯網技術的物流實驗室遠程監控系統運行

本系統依照上述規劃設計運行流程包括：自動讀取傳感器或門禁系統獲取的數據，為感測資料發布功能、警示通知功能并上傳到資料庫存儲，執行程序根據感測資料建立MQTT通訊傳輸、通過智能手機或平板電腦APP控制物聯網傳感器端運行。物聯網安全管理智能化遠程監控執行流程如下：

（1）系統建立通訊流程。物聯網網關首先啟動CoAP Server程序，再啟動自動連線程序。當物聯網終端啟動時，物聯網終端的自動連線程序會自動連到網關，連線完成后物聯網終端將自己CoAP Server的數據通過Post命令傳遞給網關上的CoAP Server，這時網關會開始建立物聯網終端的數據信息，這些數據和物聯網終端的CoAP Server信息會通過網關的CoAP Client連接，只要對網關下指令就可以控制物聯網終端。建立完成后網關會對物聯網終端的信息下observer的指令，這時物聯網終端數據信息改變時就會反饋給網關[14]。

（2）APP控制終端通訊流程。智能手機或平板電腦等移動終端上啟動APP時會自動連線到網關，手機或平板會先將自己的信息上傳到網關上的Co-AP Server。網關收到手機或平板的信息后，會通過網關的CoAP Client，將網關上所有CoAP Server的信息Post到手機或平板。當要控制物聯網終端時，手機通過APP對相應的物聯網網關下達observer的指令，APP會將指令傳到網關上CoAP Server，網關就會自動把指令傳給對應的物聯網終端設備。

（3）云端注冊流程。云端系統首先建立一個MQTT Broker，接著建立一個注冊的主題，讓云端的MQTT client進行訂閱注冊用的主題。當物聯網網關連上網絡后，會將自己的IP/MAC傳送到注冊用的Topic[15]。這時云端的MQTT就會收到網關的IP/MAC，通知云端介面。云端介面收到信息后就會將注冊的網關記錄下來，讓使用者選擇要控制的網關。

（4）云端控制終端流程。通過云端控制物聯網終端流程與通過手機/平板控制物聯網終端流程一樣的，主要不同的地方就是云端介面會讓使用者可以選擇要監控的網關，獲取信息數據與控制的流程是一樣的流程。

5 結語

高校實驗室安全管理一直是學校管理的重點，已經出現的實驗室安全事故導致了大量的人員和財產損失，傳統的實驗室環境安全監測是被動的，事后式的管理模式。在物聯網環境下，利用物聯網連接實驗室的各種監測觸感器可以輕松進行環境監測和智能監測，將各種設備連接成一個網絡，從而進行智能化、網絡化管理模式，為高校實驗室安全管理提供了一個有益的、可靠地管理模式，提升管理效率，能有效地防止實驗室災難事故和儀器設備失竊等現象。同時該系統具有較高的可擴展性，針對不同性質的實驗室，可以自由的添加有需要的傳感器連接到物聯網上，以滿足實驗室安全管理需要。