基于物聯網技術的智能儀器遠程電控管理系統

劉松霖，殷婷婷，陸怡成，張雨潔，陶佳雯，陳威健

（金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

對于高等院校而言，儀器設備等硬件設施是考核學校辦學條件和辦學水平的基本基礎和必要條件，也是學校重要的固定資產。隨著各高等院校專業設置的不斷完善，規模不斷拓展，在實驗室建設上也向傳統儀器設備和實驗設施提出了挑戰，其管理效率不高、信息不暢等問題突出，明顯已經不能適應高等院校管理的需求。

在對高校實驗室建設的系統調查中發現，日益繁雜的教學和科研任務與實驗室有限的資源利用矛盾越來越突出，實驗室往往超負荷運行，導致安全事故時有發生，后果嚴重。儀器設備管理人員工作量大，重復性勞動多，儀器設備主管部門對儀器設備使用部門的儀器使用情況不能做到及時跟蹤了解，致使部分購置的儀器設備長期閑置，嚴重影響管理人員的工作效率和儀器使用價值。

如何通過先進的實驗室儀器設備管理方式以提高儀器利用率與工作效率，成為亟待解決的問題。建立完善、高效的設備管理系統，將極大地促進高校實驗成果的出現和學科門類的發展，對實驗教學有著舉足輕重的影響，也是高等院校需要考量的一個重要課題。

近年來，隨著對實驗室管理的重視程度不斷加深，對實驗室設備管理系統的發展起到了促進作用。與此同時，物聯網技術、通信技術、單片機技術、傳感器技術的不斷革新也使得遠程監控實驗室儀器成為可能。

本文綜合4G通信技術、WiFi無線通信技術、嵌入式開發技術、NAT穿越技術等，設計了一套基于物聯網技術的智能儀器遠程電控管理系統。本系統將高校的設備管理同先進的計算機技術相結合，以締造與高校設備管理相配套的相關信息和控制系統。該系統不但能夠實現對儀器的開關狀態控制，還必須能夠提供儀器使用數據，完成高等院校設備的日常管理等工作，從而及時向管理人員提供相應報表、數據信息等，為實驗室建設決策提供有力依據。

1 系統總體方案

基于物聯網技術的智能儀器遠程電控管理系統總體方案結構如圖1所示。儀器物聯系統包含單路智能遠程監控模塊和手機APP兩部分。其中，智能遠程監控模塊由CPU模塊、插座轉接端口、電源電壓轉換、繼電器開關控制及驅動電路、GPS定位、GPRS通信及SD卡存儲模塊組成。通過4G通信技術實現和網絡云端服務器連接，單路智能遠程監控模塊和手機APP可通過網絡云服務器共享數據和傳遞檢測指令。

圖1 儀器物聯總體方案

通過設計的單路智能遠程控制開關布局網絡，對設備的電源插頭進行控制開關轉接改造，實現儀器的網絡化和手機端APP控制。以1號房間的4臺儀器設備為例，智能化改造后形成的儀器物聯網絡如圖2所示。

圖2 儀器物聯系統示意圖

通過建立如儀器物聯網絡所示的儀器物聯系統，可以實現遠程控制儀器開關和儀器使用狀態監控的功能，滿足智能儀器遠程電控管理系統設計要求。

2 系統設計

系統設計包括單路智能遠程監控硬件的核心CPU模塊設計、通信模塊設計、傳感器網絡模塊設計、繼電器模塊設計和儀器物聯管理平臺軟件的用戶手機APP設計。

2.1 智能遠程電控模塊

儀器物聯管理系統設計框圖如圖3所示。儀器物聯管理系統硬件部分由核心CPU模塊、衛星定位模塊、通信模塊、傳感器模塊、繼電器模塊以及存儲模塊組成。

圖3 儀器物聯管理系統設計框圖

2.1.1 核心CPU模塊設計

智能儀器遠程電控管理系統由于單片機靈巧通用的特點，使其能對各類實驗室電器進行邏輯控制。

儀器物聯管理系統所采用的芯片為ST公司出品的STM32F103C8T6系列芯片，本系列主控芯片原理如圖4所示。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，其程序存儲器FLASH容量為64 KB，RAM容量為20 KB，2個12 bit ADC，37個通用I/O口，4個16 bit通用定時器，2個看門狗定時器，1個24 bit向下計數的滴答定時器，2個IC，2個SPI，3個USART等，工作電壓為2～3.6 V，工作溫度為-40～70℃，系統時鐘最高可達72 MHz。系統使用芯片中的USART模塊進行全雙工串行通信，并利用ADC模塊將傳感器采集的模擬信號轉變為數字信號進行存儲及分析。

圖4 STM32F103C8T6主控芯片原理

通過該芯片組成的CPU模塊可聯合繼電器驅動系統對實驗室電器進行控制管理，將各傳感器數據采集后集中處理并上傳至網絡云端。

2.1.2 通信模塊設計

本設計采用SIMcom公司出品的SIM800C模塊。該模塊具有性能穩定、外觀小巧、性價比高等特點。主要工作在850/900/1 800/1 900 MHz頻段，滿足GSM 2/2+標準，支持GSM/GPRS與AT指令控制。除此之外，其具有多樣化的硬件接口，可方便地與單片機通信，可在低功耗下實現SMS和數據傳輸。系統可利用該模塊及GPS模塊實時共享儀器狀態/位置數據，同時在本地存儲卡保存，也可接收來自手機端APP的消息。例如，接收到開關指令后，CPU模塊將聯合繼電器驅動系統實現儀器供電系統的實時開關控制，符合物聯網設備低功耗、低成本的特點。SIM800C原理如圖5所示。

圖5 SIM800主控芯片原理

2.1.3 傳感器模塊設計

為實現本系統實時監測設備運行狀態的功能，由電量傳感器、電壓傳感器、電流傳感器及通信模塊組成傳感器網絡為系統服務。其中，電流傳感器采用型號為JCT5252C的杰特互感器精密微型電流互感器，本電流互感傳感器相關參數見表1所列。

表1 電流互感傳感器參數表

在本系統中，核心CPU模塊可通過傳感器網絡實時檢測設備運行狀態，當發生狀態切換或故障時可通過通信模塊將實時狀態數據發送至APP端口，以實現實時監測和故障報警功能。

2.1.4 繼電器模塊設計

本系統繼電器模塊由電源電壓轉換模塊、電磁繼電器、繼電器驅動等五部分組成。繼電器模塊工作流程如圖6所示。

圖6 繼電器模塊工作流程

電源電壓轉換模塊可將220 V/380 V的交流電壓轉換為5 V或3.3 V的直流電壓，為系統中相關模塊供電。電磁繼電器采用型號為SLA-12VDC-SL-A的松樂電磁繼電器，該繼電器使用壽命長，體積小。繼電器模塊采取通用插座接口設計，使用大電流端子和對接端子，確保監控模塊的通用性及適配性符合要求。繼電器驅動系統可聯合CPU模塊實現邏輯控制。

2.1.5 存儲模塊設計

存儲設備是用于儲存信息的設備，通常是將信息數字化后再以利用電、磁或光學等方式的媒體加以存儲。由本地SD卡，FLASH等設備組成的存儲模塊可將儀器存儲情況進行本地記錄，SD卡及FLASH原理如圖7所示。待CPU模塊通過通信模塊與云服務器產生連接后，可將本地數據及時上傳至云端進行備份，解決了無網絡情況下儀器運行數據的存儲及共享等問題。

圖7 SD卡及FLASH原理

2.2 儀器物聯管理平臺小程序設計

手機APP軟件功能包括已有的儀器設備列表、開關控制、儀器運行狀態、儀器使用數據和用戶信息等功能，涉及UI界面設計Socket通信、數據存儲等技術。

APP設備總體狀態界面如圖8所示。設備總體狀態界面會顯示當前分組所添加的設備名稱、狀態及添加時間。如處于禁用狀態，則顯示紅色字體，起警示作用。可在搜索欄中輸入設備名稱，便于用戶快速查找。

圖8 設備總體狀態界面

APP單設備控制界面如圖9所示。在單設備控制界面可進行相關實驗室設備的供電控制。相關設備還可通過APP與實驗室攝像頭綁定以加強實驗室管理。

圖9 單設備控制界面

APP單設備狀態界面如圖10所示。在單設備狀態界面中會顯示設備電流、電壓，供電狀態等信息，方便相關人員進行實驗室電控管理。

圖10 單設備狀態界面

實驗人員在手機端輸入項目和使用人信息后，可通過手機APP控制實驗電源開關，并實時監測所有儀器的開關及工作狀態。管理人員可在網絡云端調取開關和運行狀態記錄，形成儀器使用情況分析報告。

3 實驗結果

為驗證本文設計的智能儀器遠程電控管理系統的可行性和有效性，在物聯網環境下設計驗證實驗。實驗結果表明，系統能夠很好地對實驗室儀器進行遠程控制管理。

3.1 遠程開關開啟情況

插座與手機端APP聯網，并操作手機端APP開啟開關。遠程開關開啟情況如圖11所示。開關開啟后，插座外部電源指示燈及插座電源指示燈亮，由此可知插座有電且正為外部設備供電并與手機端APP成功連接。

圖11 APP操作開關打開

3.2 遠程開關關閉情況

點擊手機端“關閉設備”按鈕，遠程開關關閉情況如圖12所示。開關關閉后插座電源指示燈亮而插座外部電源指示燈滅。由此可知，APP操作后插座有電但此時不為外部供電，利用停止供電的方法將外部設備關閉，此時云端外部設備狀態顯示一致。

圖12 APP操作開關關閉

4 結 語

本文基于物聯網技術設計了智能儀器遠程電控管理系統，實現了儀器實時狀態監測、預警系統設計以及儀器使用日志數據整合。本系統成功將物聯網技術運用到實驗室儀器設備管理控制系統中，減少了人工干預實驗結果的可能性，促進了實驗室儀器設備的信息化、網絡化、智能化管理。