基于物聯網平臺的高校實驗室管理系統

蘇澤蔭，陳源毅，王華敏

（廈門大學嘉庚學院 信息科學與技術學院，福建 漳州 363105）

0 引 言

隨著現代科學技術的發展，互聯網、物聯網和智能終端等技術日趨成熟，已經逐漸滲透到社會生活的各個方面。目前高校的實驗室和機房數量多、種類多，實驗員經常需要巡查實驗室和機房以確保設備的正常運行[1]。一些重要實驗室還需要保證實驗室的溫度、濕度等環境條件滿足要求，工作量大，而且容易疏忽遺漏，不能及時發現并處理實驗室或者機房出現的問題。因此，智能化的實驗室和機房管理需求越來越大[2]。

本文設計了一種解決方案：以物聯網技術為核心，采用各種傳感器采集環境數據，傳輸到主控系統進行智能化處理，并把處理后的數據通過無線網絡傳輸到物聯網平臺，再從物聯網平臺轉發數據到Web服務器，從而實現在Web應用端和手機客戶端實時地進行可視化顯示和控制。本方案設計的系統具有低成本、易實施、可拓展性強的優點，可快速根據具體的應用場景進行拓展開發。

1 系統方案設計

本文設計的系統主要由STM32主控系統、傳感器數據采集模塊、ESP8266網絡模塊[3]、阿里云物聯網平臺、手機APP客戶端和Web應用六大部分組成。系統方案的整體架構分為感知網絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

圖1 系統整體架構

在感知網絡層中，傳感器節點實時采集各種環境數據，傳送到STM32主控系統進行處理，根據處理結果智能控制開關。STM32主控系統通過ESP8266網絡模塊，采用MQTT協議將處理后的數據通過WiFi傳輸到平臺層的阿里云物聯網平臺。在應用層，在Web應用和移動端的APP中集成物聯網平臺提供的JAVA SDK，調用API獲取物聯網平臺的數據實時顯示，并傳遞控制信號，從而實現對實驗室或者機房狀態的實時監控[4]。

2 感知網絡層設計

感知網絡層主要由STM32主控系統、傳感器數據采集模塊、ESP8266無線網絡模塊組成。STM32主控系統主要由STM32F103C8T6最小系統板和開關模塊組成。感知網絡層組成如圖2所示，工作流程如圖3所示。

圖2 感知網絡層組成

圖3 感知網絡層的工作流程

感知網絡層主要實現以下功能[5]：

（1）根據實際應用場景、實驗室的要求設置每個傳感器采集指標的閾值范圍。

（2）每秒采集傳感器數據進行處理，將模擬量轉化為具有實際意義的數字量，然后通過ESP8266網絡模塊連接互聯網并向阿里云物聯網平臺上報數據。

（3）判斷數據是否在設置的閾值范圍內，如果不在，就用聲音報警并控制開關模塊關閉指定的開關。

（4）接收物聯網平臺下發的閾值并更新閾值。

（5）接收物聯網平臺下發的控制命令，關閉或者開啟指定開關。

2.1 主控模塊

考慮到系統要具備成本低、功耗低的特點，本設計方案采用STM32F103C8T6最小系統作為主控模塊。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊由多個傳感器及其電路組成。傳感器的選用要根據實際的應用場景決定，本文針對一個正常的實驗室環境進行測試，采用DHT22溫濕度傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器、火焰傳感器和光敏電阻傳感器等構成傳感器檢測模塊。傳感器采集的數據需要經過STM32單片機處理和轉化才能使用[6]。圖4是傳感器模塊的構成。

圖4 傳感器模塊結構

2.3 開關模塊

開關模塊由多路繼電器構成，通過控制繼電器的開關從而控制實驗室的電源、空調、照明燈開關。

3 物聯網平臺層設計

感知網絡層采集環境數據傳輸到物聯網平臺存儲，物聯網平臺將閾值和控制數據下發到感知網絡層，實現對系統的控制。本方案采用MQTT協議作為感知網絡層和物聯網平臺層的網絡通信協議，物聯網平臺采用阿里云物聯網平臺[7]。

3.1 MQTT協議

MQTT協議是一個基于客戶端-服務器和消息發布/訂閱模型的通信協議。Topic是消息發布者和訂閱者之間的傳輸中介。設備可通過Topic實現消息的發送和接收，從而實現服務端與設備端的通信。

根據本方案的實際場景需要，在物聯網平臺定義了物模型通信Topic，包含屬性上報、屬性設置和事件上報。通過這些物模型通信 Topic，就能實現設備數據上傳和服務端指令下發。

3.2 阿里云物聯網平臺

阿里云物聯網平臺是在阿里云上搭建了具備設備接入、設備管理、數據安全通信和消息訂閱等能力的一體化平臺，支持采集海量設備數據上云并提供云端API，讓Web應用和移動端APP可通過調用云端API實現數據的可視化顯示或者將指令下發至設備端，實現遠程控制的功能[8]，工作原理如圖5所示。

圖5 阿里云物聯網平臺工作原理

要使感知網絡層與阿里云物聯網平臺通信需要經過以下五個步驟[9]：

（1）創建產品與設備：根據實際的應用需求，創建產品和設備，獲取設備證書信息即三元組：ProductKey、DeviceName和DeviceSecret，作為設備連接物聯網平臺的身份認證。

（2）為產品定義物模型：將感知網絡層設備抽象成由屬性、服務、事件所組成的數據模型后，就能在物聯網平臺上進行管理和數據交互。

（3）建立設備與平臺的連接：感知網絡層設備根據設備證書信息通過MQTT協議連接物聯網平臺，在物聯網平臺控制臺就可以看到設備狀態顯示為在線。

（4）定義物模型通信Topic：設置屬性上報、屬性設置和事件上報Topic。

（5）設備端通過接口定時發布屬性狀態的Topic，并獲取屬性設置Topic，從而實現設備數據的上報和操作命令的下發。

完成感知網絡層和阿里云物聯網平臺通信后，還需要進一步實現阿里云物聯網平臺和Web服務器通信，把物聯網平臺數據存儲到MySQL數據庫。因此需要在物聯網平臺上配置服務端訂閱，主要有以下三個步驟：創建消費組，創建訂閱，服務端集成并運行AMQP客戶端。阿里云物聯網平臺采用AMQP服務端訂閱實現將設備消息流轉到Web服務器上，然后將設備消息存儲到數據庫中。

4 應用層設計

應用層主要包含Web應用和移動端APP[10]。Web應用開發采用前后端分離這種目前最新的開發模式。前端采用Vue開發框架，后端采用Spring Boot和MyBatis框架。移動端APP采用目前市場占有率最高的Android系統，后續可根據需要再擴充其他操作系統。

應用層主要實現的功能如下：

（1）用戶管理功能：不同的用戶登錄后具有不同的權限，能查看和控制的實驗室是不同的，重要且敏感的系統功能只有高級管理員用戶能使用。

（2）接入并運行AMQP客戶端：下載阿里云物聯網平臺提供的JAVA SDK，參考官方文檔，完成業務代碼編寫，運行AMQP客戶端，即可接收設備消息，將上報的數據存儲到MySQL數據庫中。

（3）數據的實時顯示：在Web應用和移動端APP的頁面實現各種指標數據的實時顯示。

（4）各個指標數據在一段時間內的折線圖顯示：可長時間記錄歷史數據，隨時可查詢。

（5）開關控制和閾值設置：提供按鈕進行開關控制，提供文本框進行閾值設置。控制和設置命令通過物聯網平臺轉發，下發到設備端。

5 系統測試

各個高校的實驗室、機房環境和設備不盡相同，而本文提出的實驗室智能化管理的解決方案需要根據學校實驗室的實際環境進行配置。本文針對一個比較普通的實驗室環境進行測試。

測試過程：在實驗室運行整套硬件系統，查看Web應用的頁面和手機APP上是否實時顯示數據，顯示的數據是否正常。

測試結果：阿里云物聯網平臺的物模型數據顯示如圖6所示，手機APP的測試頁面如圖7所示，Web應用的測試頁面如圖8所示。

圖6 阿里云物聯網平臺的物模型數據

圖7 手機APP頁面顯示

圖8 Web應用頁面顯示

經過測試分析，該系統能實時顯示傳感器采集數據，對異常數據也能報警并上報，在Web應用和手機APP都能實現遠程控制實驗室、空調和照明開關，很好地滿足了系統的設計要求。

6 結 語

本文結合了互聯網、物聯網和智能終端等技術，提出一個智能化管理實驗室的解決方案，以解決目前高校實驗室采用人工管理的方式帶來的工作量大且無法及時發現現場出現的狀況的問題。本方案設計的系統成本較低、易于實現、應用場景廣泛，可以針對各種室內場景進行定制化開發，具有一定的應用價值，可進一步推廣。