基于物聯網的實驗室溫度遠程監控系統設計

施新起

（國家廣電總局六五四臺，新疆呼圖壁，831200）

0 前言

溫度遠程專項監控系統，對于實驗室來說屬于較為重要的部分，系統設計效果高低與否，對實驗室各項工作影響較大，而物聯網則可起到良好的輔助作用。因而，綜合分析物聯網之下實驗室的溫度遠程專項監控系統實踐設計，有著一定的現實意義和價值。

1 系統框架

為確保物聯網之下實驗室的溫度遠程專項監控系統各項功能得以有效實現，此次以開源樹莓派基礎套件集可靠性系統程序語言為基礎所構建物聯網系統架構在。該系統是結合物聯網三層結構組織的軟硬件，內含感知模塊、中間傳輸模塊、應用模塊等。結合系統要求及架構分析，后臺處理系統程序借助 Python 實施編輯操作，接收轉換及存儲傳感裝置信息數據，釘釘版本機器人裝置報警系統對接API，實施對蜂鳴裝置和風扇燈應急控制[1]。數據信息庫內選定開源Maria DB，其語法相通于My SQL，支持PHP 和 Python語言語法。以PHP7 為基礎編寫Web 端系統程序，確保系統網頁上面可展示出該部分數據信息庫。內網穿透需經海貝銳企業所提供花生殼Oray 提供動態化名解析系統服務來實現，把局域網絡當中服務裝置映射至我互聯網當中，遠程訪問即可實現。該系統內部，溫度傳感裝置把所采集數字化信號經1-wire 的總線及時傳輸到總系統內部，Python 編寫后臺系統處理程序實操期間，需拆解好數據包，數據信息需轉換且存入至數據信息庫內，判斷數據參數值為過小或過大，監測到了異常參數值后，系統后臺程序和釘釘版本機器人會及時實施對接報警操作，驅動蜂鳴裝置及風扇高效運行。Web 端的PHP 編寫程序實施數據庫內信息數據讀取，在網頁上面實時顯示最新數據，如圖1 為流程示意圖。

圖1 系統運行流程示意圖

2 設計實踐

■2.1 在硬件層面

以樹莓派為系統主要控制和運算服務裝置，感知裝置是DS18B20 型號數字溫度的傳感裝置，把源蜂裝置當成本地的報警裝置，因考慮到裝置需長期穩定運行，故裝置需配置UPS 電源起到輔助運行作用，防止斷電情況之下裝置難以對異常現象予以準確記錄和警報，因裝置部署環境之下可能無網線相關基礎設施，故樹莓派和外部聯絡方式可借助Wi-Fi、有線網絡等手段，應對環境所造成不便情況，詳見圖2為系統硬件設計詳細情況。

圖2 硬件設計詳細情況

（1）在樹莓派層面

在一定程度上，樹莓派屬于以ARM 為基礎架構電腦版，美國的樹莓派專項基金會所研制，大小類似于撲克牌，具備單片裝置或者電腦各項功能，能夠搭載win10 的物聯網系統版本、Linux 主流發行的版本，因價格相對低廉，由于較高可擴展性[2]。此次以4B 型號樹莓派開發板，設 Linux 系統當中Debian 所發行的版本，內含 GPIO 型號1-wire 系統接口，5V 型號GND 及VCC 接口。

（2）在數字溫度的傳感裝置層面

因樹莓派無模數轉換裝置，故無法直接接收該模擬信號，因溫度遠程的監控系統選定DS18B20 型號數字溫度的傳感裝置為主要的感知裝置。DS18B20 為數字溫度的傳感裝置常用類型，內含引腳三個、寄存裝置、計數裝置、晶振等。溫度測定范圍是-55℃至±125℃，±0.5℃精度。溫度改變后，晶振會有脈沖變化產生，并傳遞至計數裝置當中，計數裝置靜加減運輸分析，把數值傳至寄存裝置，寄存裝置上面所顯示數值為當前實際溫度[3]。

（3）在總線層面

在一定程度上，1-wire 總線屬于雙工異步半串行傳輸手段，僅需一條信號便能夠傳輸數據信息。1-wire 總線實際傳輸期間，信號線可實現數據信息傳輸，還屬于連接至1-wire 總線設備電源主要來源。所有1-wire 總線均獨立設置64 位的標識碼，方便對連接設備實施有效辨識，故可搭載裝置相對較多。

■2.2 在軟件層面

以Linux 樹莓派為基礎，維持系統軟件正常運行狀態，以Python3-7 實施編寫操作，Maria DB 的數據庫內存儲數據信息。因考慮到系統硬件自身運算性能，所有傳感裝置均設單獨進程，下列為詳細的流程：系統程序讀取到傳感裝置相關信息數據后，逐步返回數據信息目錄之下數據包，借助數據信息轉換解包，把數據信息轉換為一種以攝氏度為基本單位的參數值，把所采集到我的溫度計時間數據存至數據信息庫內。程序循環運行，對比設定閾值，以便于判斷溫度是否異常，是否需要激活報警功能模塊，并驅動著風扇維持良好運行狀態。

（1）在讀取數據層面

因系統需讀取該傳感裝置內部數據信息，故需經import os 庫當中 os system 函數的模擬終端裝置運行mod probe系統指令激活接口，找到該傳感裝置返回信息數據文件，完成數據文件讀取后，依照著utf-8系統格式返回，開啟新進程，便于獲取前兩行數據信息，予以包裝好，實施是被信息數據檢測，重試至首行末尾處YES，經運算后，把數據信息轉換成攝氏度返回。如圖3 所示。

圖3 溫度讀取流程

（2）在數據庫層面

此次設計當中，數據信息庫可存放后臺系統程序所獲取信息數據及前臺系統程序，對所展示出數據實施有效讀取，且可查詢歷史數據信息，介紹后臺系統程序把數據信息存入至數據庫整個實操過程。音傳感裝置持續更新，數據信息庫需實時存入更多新數據信息，故插入語句需放置于循環監測系統模塊當中，監測與存儲同步完成。因樹莓派內含采集數據、云服務裝置等在，數據信息庫連接并不需要指定IP 外部地址，可直接實施本地操作，確保信息傳輸操作穩定性及安全性得以提升[4]。

（3）在報警和控制功能層面

該系統內部報警及控制功能模塊內含釘釘版本機器人的報警模塊、風扇控制系統模塊、蜂鳴裝置報警等，各個模塊有效聯合，實現多途徑報警，信息數據可精準且安全發送至管理員后臺，損失得以減少。釘釘版本機器人，她屬于釘釘辦公的社交軟件一種內置功能，為釘釘群聊擴展功能，能夠把第三方的服務信息靜接口推送至群聊當中，信息可實現有效同步。蜂鳴裝置屬于本地報警系統模塊，能夠彌補斷網相關極端環境之下報警形式的空缺，屬于單獨的系統程序。異常情況出現后，主程序會及時通過相應編碼予以有效條用。調用主程序期間，高電平輸出，蜂鳴裝置會發出聲響。溫度在回至正常參數值后，系統主程序會將停止信號發出，蜂鳴裝置則會停止運行。異常溫度環境之下，風扇可起到一定響應裝置作用，后續使用期間可替換成空調開關相關基礎設施。風扇運行原理類似于蜂鳴裝置外部的一種可調用系統程序。如圖4 所示。

圖4 報警和控制模塊

■2.3 在測試層面

搭建硬件系統平臺和軟件編程完畢，對該系統開展整體測試，對系統自身可靠性及功能性予以有效驗證分析。此次研究，布設好小型的實驗室開展一周持續性的運行測試。

（1）在功能測試層面

功能測試，即為驗證系統內部既定功能，內含數據信息能否正常完成此案件入庫存儲，網頁可否實現正常顯示，異常參數值發生后是否能夠及時開展報警操作等各項系統功能。需對系統裝置開展細致檢查工作，確保裝置硬件正常連接，進入到數據庫內部，在將數據表當中數據指令輸入進去，查閱所存儲信息數據。報警測試期間，技術員需手握溫度傳感裝置，確保溫度可提升到30℃，對釘釘可否存在著機器人的報警信息數據實施有效檢查，觀察該蜂鳴裝置可否維持正常發聲狀態。

（2）在可靠性測定層面

圍繞著系統開展可靠性的有效測定，其實驗證系統可否維持穩定運行狀態，部署環境下不會有宕機產生。若卡頓異常，或者是同步產生多條傳感裝置，則是否會堵塞信息數據。測定結果屬于實驗室內部溫度遠程專項監控系統一周持續運行后，可始終維持系統穩定可靠的運行狀態，宕機及卡頓等現象并未產生，所有系統功能均可維持正常穩定地運行狀態。

3 結語

綜上所述，物聯網之下實驗室的溫度遠程專項監控系統實踐設計中，為確保系統功能得以實現，仍然需更多技術員增加對這一層面實踐研究，以保障系統設計整體效果。