基于多網(wǎng)融合的智能實驗室系統(tǒng)設(shè)計

（寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

0 引 言

近年來，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等高新技術(shù)的快速發(fā)展，智慧校園已成為高校信息化建設(shè)必不可少的重要組成部分，智慧校園致力于實現(xiàn)高效、智能、環(huán)保、安全的校園，為師生提供便捷的學(xué)習(xí)工作環(huán)境[1]。實驗室作為高校教學(xué)科研的實踐基地，是高校展示教學(xué)科研實力的排頭兵，實驗室信息智能化建設(shè)直接影響智慧校園建設(shè)成效[2]。然而在高校實驗室建設(shè)過程中，過度追求實驗設(shè)備性能，將大量的建設(shè)經(jīng)費用于提高實驗設(shè)備中，卻往往容易忽略實驗室整體的信息智能化建設(shè)。其管理模式仍采用傳統(tǒng)的人工管理方式，即一位實驗室管理人員負責(zé)7～10個實驗室的日常管理，這種管理方式容易造成實驗室能源浪費、存在安全管理漏洞、設(shè)備維修不及時等問題，其后果將直接影響實驗室安全以及科研教學(xué)效果，為此將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室信息智能化改造，可有效解決當(dāng)前面臨的問題。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種傳感器、頻射裝置、無線有線通信技術(shù)等，將環(huán)境信息以數(shù)字化形式接入互聯(lián)網(wǎng)，并利用云計算、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)物體與物體之間智能化控制，提高人類管理效率，改善生產(chǎn)生活質(zhì)量[3]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧校園建設(shè)已是炙手可熱的話題，王克平等提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)空間、大數(shù)據(jù)、智慧運行的智慧校園概念模型[4]，通過不同用戶層面分析高校智慧校園體系架構(gòu)，對智慧校園建設(shè)具有較好的借鑒意義。在此基礎(chǔ)上，周春月等從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、綜合應(yīng)用層三個層次構(gòu)造智慧實驗室架構(gòu)模型[5]，有效地解決實驗室設(shè)備管理、安全、環(huán)境等問題。因此本文以該模型為基礎(chǔ)，提出一種多網(wǎng)融合的智能實驗室系統(tǒng)，將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT無線廣域網(wǎng)相融合應(yīng)用于實驗室建設(shè)中，確保實驗室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠平穩(wěn)高效運行，以解決當(dāng)前實驗室所面臨的問題，優(yōu)化實驗室管理模式，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和實驗室險情，讓智能實驗室成為智慧校園建設(shè)過程中不可或缺的一部分[6-7]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于多網(wǎng)融合的智能實驗室系統(tǒng)由傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成，如圖1所示。傳感層主要包含環(huán)境監(jiān)測節(jié)點組、能源監(jiān)測節(jié)點、安防監(jiān)測節(jié)點組以及執(zhí)行節(jié)點組。環(huán)境檢測節(jié)點主要檢測實驗室內(nèi)部溫度、濕度、亮度等環(huán)境信息，分別部署在實驗室各區(qū)域。能源監(jiān)測節(jié)點采用智能電表監(jiān)測實驗室電壓、電流、功率以及功率因素角等參數(shù)，實時獲取實驗室電能消耗情況，并且支持遠程斷開功能。安防監(jiān)測節(jié)點組主要檢測實驗室中是否有火焰、煙霧、人體。執(zhí)行節(jié)點組包括LED燈亮度調(diào)節(jié)、窗簾開關(guān)控制以及空調(diào)控制，其根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺下發(fā)的指令執(zhí)行對應(yīng)操作。網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee協(xié)調(diào)器和NB-IoT模塊組成，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與數(shù)據(jù)傳輸，并通過串口通信將ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至NB-IoT模塊，NB-IoT模塊負責(zé)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中，確保數(shù)據(jù)到達對應(yīng)服務(wù)器。系統(tǒng)均采用無線傳輸模式，無需對實驗室重新布線改造，易于部署，而且所有節(jié)點均處于低功耗工作模式，可減少系統(tǒng)后期維護工作量[8-9]。

圖1 智能實驗室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)是一套全覆蓋、低功耗、運行穩(wěn)定的實驗室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)在于將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用。當(dāng)前國內(nèi)主流的實驗室物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案通常采用有線網(wǎng)絡(luò)方式將實驗室傳感器數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，該方式雖然能夠確保傳感數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，然而在夜晚或者寒暑假期間實驗樓通常采取斷電斷網(wǎng)封閉的管理模式，此時實驗室將處于管理真空狀態(tài)，一旦出現(xiàn)險情將無法及時響應(yīng)。

因此，本文采用NB-IoT無線廣域網(wǎng)作為傳輸媒介，確保實驗室處于全年監(jiān)測狀態(tài)。NB-IoT是近幾年在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的無線低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要依靠中國移動、電信、聯(lián)通三大運行商部署。截至2020年2月，全國累計接入設(shè)備數(shù)量破億，覆蓋電力、水務(wù)、共享單車等領(lǐng)域，目前該網(wǎng)絡(luò)已在全國346個城市實現(xiàn)主要覆蓋[10-11]。在此背景下，將NB-IoT技術(shù)引入高校實驗室建設(shè)，可摒除傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)存在的弊端。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種小范圍內(nèi)的低功耗自組織局域網(wǎng)，將ZigBee技術(shù)與NB-IoT技術(shù)相融合，實驗室內(nèi)部傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用單個NB-IoT網(wǎng)絡(luò)輸出，可減少NB-IoT硬件模塊使用，降低實驗室建設(shè)的成本。

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)傳感層各類終端節(jié)點均采用ZigBee無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，其核心控制芯片為ZigBee專用芯片CC2530單片機[12]。系統(tǒng)工作流程如圖2所示，利用CC2530片內(nèi)運行的Z-Stack協(xié)議棧定時采集環(huán)境、能源、安防類傳感器數(shù)據(jù)并按照ModBus-RTU協(xié)議封裝數(shù)據(jù)包[13-14]，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器直接將數(shù)據(jù)包通過串口通信轉(zhuǎn)發(fā)至NB-IoT模塊，NB-IoT模塊再通過運營商網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，云平臺接收并解析數(shù)據(jù)包后對傳感數(shù)據(jù)進行記錄分析，依據(jù)設(shè)定的控制策略判斷是否報警或控制節(jié)點動作。若需控制執(zhí)行節(jié)點動作，則將控制命令封裝成ModBus-RTU協(xié)議數(shù)據(jù)包后重新下發(fā)至NB-IoT模塊，再通過串口通信轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器，此時協(xié)調(diào)器需解析ModBus-RTU數(shù)據(jù)包內(nèi)容，再將控制指令下發(fā)至對應(yīng)執(zhí)行節(jié)點，如窗簾、LED、空調(diào)等執(zhí)行節(jié)點。

圖2 智能實驗室系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 終端傳感節(jié)點硬件設(shè)計

系統(tǒng)各傳感節(jié)點均配備1個CC2530模塊，溫濕度檢測傳感器采用DHT11檢測模塊，該模塊支持單總線通信協(xié)議，需將數(shù)據(jù)線與CC2530的P0_6口相連即可實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集[15]。光照檢測傳感器采用基于I2C總線通信協(xié)議的BH1750模塊，將模塊的數(shù)據(jù)線和時鐘線分別與CC2530單片機P0_6和P0_5相連即可。智能電表模塊選擇正泰DTSU666系列，該系列支持RS 485總線輸出電壓、電路、功率等信息，通過RS 458轉(zhuǎn)TTL模塊接入CC2530單片機USART1接口，實現(xiàn)CC2530串口采集電表實時信息。煙霧檢測采用MQ-2傳感器，利用CC2530單片機內(nèi)置16位ADC轉(zhuǎn)換模塊定時采集MQ-2引腳電壓模擬量，由于MQ-2傳感器是一款加熱型氣敏半導(dǎo)體傳感器，需持續(xù)5 V供電才能保證檢測準(zhǔn)確性。因此，該傳感器采用單獨適配器5 V供電。火焰檢測和人體紅外檢測傳感器均采用I/O數(shù)字量采集方式，CC2530通過輪詢方式訪問P0_6引腳獲取傳感器當(dāng)前狀態(tài)。

2.2 終端執(zhí)行節(jié)點硬件設(shè)計

執(zhí)行節(jié)點同樣采用CC2530模塊控制輸出方式，空調(diào)控制模塊采用IR-20學(xué)習(xí)型紅外收發(fā)模塊[16]，該模塊可實現(xiàn)空調(diào)、電視機、投影儀等設(shè)備紅外控制。因此，系統(tǒng)選擇該模塊也是為了在未來便于擴充紅外執(zhí)行節(jié)點，紅外收發(fā)模塊通過TTL串口線接入CC2530單片機，CC2530在接收到ZigBee協(xié)調(diào)器空調(diào)控制指令后，將指令數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為紅外收發(fā)模塊所需報文格式，再通過串口通信發(fā)送至紅外收發(fā)模塊即可實現(xiàn)空調(diào)控制。窗簾控制模塊為雙路電機控制器，CC2530將P1_0和P1_1引腳高低電平輸入至控制器，即可實現(xiàn)雙路電機正反轉(zhuǎn)控制，從而控制窗簾開閉。LED控制選擇256級LED控制器，該控制器可同時支持8通道256級亮度變化，CC2530通過串口通信方式將亮度信息發(fā)送至控制器實現(xiàn)LED燈光亮度控制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層硬件主要是ZigBee協(xié)調(diào)器與NB-IoT模塊聯(lián)動，NB-IoT模塊型號為穩(wěn)恒WH-NB75，選擇電信NB物聯(lián)網(wǎng)專用SIM卡作為模塊入網(wǎng)身份認證。采用TTL串口通信方式連接CC2530最小系統(tǒng)，用于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)直連交互。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，程序設(shè)計主要包括終端節(jié)點程序設(shè)計、ZigBee協(xié)調(diào)器程序設(shè)計以及通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)底層傳感數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、執(zhí)行節(jié)點控制等功能。傳感數(shù)據(jù)上傳方向為ZigBee傳感節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器、NB-IoT模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺。為減少ZigBee協(xié)調(diào)器計算負擔(dān)，由終端傳感節(jié)點定時主動采集數(shù)據(jù)，并直接對數(shù)據(jù)進行ModBus-RTU協(xié)議封裝，ZigBee協(xié)調(diào)器只需對數(shù)據(jù)包內(nèi)容提取轉(zhuǎn)發(fā)至NB-IoT模塊即可。

3.1 終端節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點采用ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行節(jié)點控制功能，其程序框架以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，Z-Stack協(xié)議棧包含ZigBee協(xié)議所規(guī)定的基本功能，并通過函數(shù)的形式實現(xiàn)。協(xié)議棧內(nèi)部包含OSAL操作系統(tǒng)，用以協(xié)調(diào)控制多任務(wù)之間的資源分配、切換、同步以及互斥。二次開發(fā)者只需在OSAL操作系統(tǒng)應(yīng)用層增加傳感器采集和節(jié)點控制任務(wù)即可實現(xiàn)ZigBee通信。當(dāng)傳感節(jié)點上電運行后，初始化硬件，初始化OSAL操作系統(tǒng)各層次任務(wù)，操作系統(tǒng)通過輪詢方式訪問各層次任務(wù)是否有事件執(zhí)行，若定時器發(fā)送中斷，則采集傳感器數(shù)據(jù)，并按照ModBus-RTU通信協(xié)議格式封裝數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，其具體工作流程如圖3所示。同理，當(dāng)云平臺下達控制信息后，由ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)解析控制信息，根據(jù)節(jié)點地址表將控制命令通過ZigBee通信傳輸至對應(yīng)終端執(zhí)行節(jié)點，并由執(zhí)行節(jié)點控制設(shè)備動作。

圖3 終端傳感節(jié)點程序流程

3.2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)通信要求，所有接入云平臺的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸均采用工業(yè)上較為常見的ModBus-RTU通信協(xié)議，即可實現(xiàn)各類節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)格式見表1所列。

表1 ModBus-RTU通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式 B

4 系統(tǒng)功能測試

為驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，選取正常教學(xué)使用的計算機實驗室進行測試。其中，溫濕度模塊和光照度模塊安裝于實驗室靠窗側(cè)天花板處，智能電表安裝于教室強電柜中，在不改變原有電氣結(jié)構(gòu)下，接入1盞LED燈作為模擬負載，煙霧檢測傳感器、火焰檢測傳感器、人體紅外檢測傳感器、空調(diào)控制模塊分別安裝于教室中間天花板處。此外，由于該實驗室暫未改造電動窗簾，因此電動窗簾開關(guān)采用燈泡亮滅模擬演示，LED控制模塊安裝在LED燈附近。系統(tǒng)運行后，物聯(lián)網(wǎng)云平臺實時顯示實驗室環(huán)境、安防等信息，如圖4所示。

圖4 智能實驗室數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用的智能實驗室系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室內(nèi)部環(huán)境、安防等數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并且可通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺控制LED、空調(diào)、窗簾等執(zhí)行節(jié)點動作，具有低功耗、低流量、無需布線改造、人工維護成本低等特點。解決了當(dāng)前實驗室管理存在的弊端，具備一定的實際應(yīng)用價值，同時也為智慧校園建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。未來將持續(xù)改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建更加適合用戶操作的終端界面，實現(xiàn)課堂、假期、課后等多種模式一鍵切換。