淺談中控技術在科技館領域的應用與研究

賈清

上海科技館 上海 200127

1 科技館對展品管理現狀的研究

隨著社會的不斷發展，科技和信息技術發展迅速，關注學生基礎教育的各個科技館，越來越多地綜合了各種形式多樣的展品，它們具有數量多、種類多、分布廣等特點。

現在，科技館已經從以前傳統的應用觸摸一體機、電腦、顯示器等單一設備的模式，逐漸發展到越來越多地應用了人體感應設備、攝像頭捕捉設備、激光投影機等先進設備和技術。同時，科技館的展項設計也越來越復雜，隨之而來的問題就是整個場館內所有設備該如何有效地管理，才能節省人力成本。隨著市場上集中控制系統、智能控制系統等技術的快速發展，各個科技館也逐漸開始使用中控系統來集中管理場館內的展品設備。

由于科技館內展品種類繁多，有投影機、電腦、電視、顯示器、人體感應設備等各種設備，如果僅僅依靠管理員逐個手動關閉，工作量巨大，如果強行關閉總電源來關機，對設備尤其是電腦主機會造成很大的危害，因此，在科技館應用中控系統統一管理設備開關機非常有必要。

2 采用中控技術的重要意義

科技館的中控智能化系統是一種對科技館內所有展項進行集中管理和控制的智能控制系統。將所有需要統一管理的設備通過終端Wi-Fi控制模塊接入局域網，管理員就可以通過接入局域網的電腦、平板、手機等智能設備遠程管理館內的各展項設備，可以單獨控制每個展項的設備，也可以分區域分場館來集中控制。中控系統的操作界面中每個菜單都可以控制一個系統，而且針對每個設備有單獨的控制按鈕，管理員可以輕松地通過電腦、平板、手機等智能設備遠程管理館內的各展項設備，不需要走到每個設備前進行操作，就可以實現對展廳的管理和控制。

中控智能化系統就是為了讓展示更加智能化、智慧化、現代化，具體要實現各展項的集中控制，方便業主管理，節約能耗的實際作用。展廳智能中控系統是一套靈活、穩定可靠、高端的智能控制系統，整合了整個展廳的所有展項，使之更加智能化、智慧化。

3 項目設計功能需求

3.1 整體功能需求

(1)展廳中控系統主要通過客戶端與服務器端來實現對展項開、關機，定時開、關機，定時巡查提示，記錄展項運行狀態。控制對象為光、電展項。主要功能包括展項運行狀態顯示、控制器設備顯示、展項輪詢、一鍵展項管理、一鍵開關模塊、運行狀態反饋。同時分攤硬件風險，避免因硬件意外損壞造成系統無法使用。中控系統主要基于無線網絡控制，若無線網絡出現故障或無法滿足需求時，同時支持有線網絡控制。此外，無線網絡將預留足夠的余量，以便需要時系統擴展使用。

(2)中控系統對常設展廳展品和展廳燈光進行統一管理，并收集和保存設備的運行信息。系統將所有帶電展品按PC控制、單片機控制、PLC控制和時序電源控制等方式分類，通過內部網絡實現展品開機和關機控制。其中PC控制類展品、單片機控制類展品和PLC控制類展品可實現基礎的狀態監控和預警。

(3)中控系統支持多臺終端設備同時接入中控管理系統。系統允許至少多個用戶同時操作，支持設置多個管理員賬戶，權限可按需分配，當作為最高權限的系統管理員進行操作時，其他管理員操作設備無效。同時，中控系統支持管理員在中控室內進行集中開關機操作。

3.2 核心模塊功能需求

(1)控制展品電源通斷管理；

(2)控制展品內的計算機、投影機等設備統一開機、延時關機功能(計算機需保存數據正常關機、投影機需關機后保持通電一段時間以便散熱)；

(3)支持多種通信模塊用于計算機等智能設備通信，如3個以上串口或RJ45接口、3路以上計算機按鈕接入、USB鍵盤喚醒功能；

(4)具有Wi-Fi模塊及加強天線能夠穩定接入中控系統；

(5)具有應急按鈕，以便維修或維護時能脫離中控系統，獨立啟動或關閉；

(6)具有顯示模塊，能直觀顯示展品運行狀態及故障信息。

4 本課題研究過程與結果

4.1 研究步驟

(1)收集相關資料，對智能化中控系統的概念及其相關知識進行篩選分析；

(2)閱讀關于智能化中控系統發展狀況的相關資料，并進行市場調研；

(3)成立項目開發小組，開會討論實現方案，進行機械、電氣、程序設計，聯合調試，制作出系統的第一套軟硬件；

(4)通過項目組內部討論研究，查閱資料及系統優化點進行梳理，整理出可行的優化方案進行優化，最終做出研究總結。

4.2 研究方法

4.2.1 市場調研

在本課題開發前，我們對目前市場上的中控系統做了相關調研。目前中控系統的主要控制方式有無線觸摸屏控制、有線觸摸屏控制、有線按鍵鍵盤控制，其主要通過中控服務器與其他被控設備的控制器、控制模塊或者控制主機連接，利用標準化通信協議而達到對相關設備的控制，通信方式有：RS232、RS485、紅外、藍牙、網絡控制等。例如，電腦主機的開關機、投影機及觸摸屏、電視機、拼接屏等的開關機、信號切換、投影幕的升降、音量的大小、設備電源的通斷、環境燈光的開關及亮度調節等都在其控制范圍內。中控系統在會議室、多功能演播廳、多媒體教室、場館、智能家居等領域都有廣泛的應用。

4.2.2 實證研究

我們根據科技館的特點，與信息化、智能化和大數據結合起來，研發出了智能化中控系統初版，并與客戶溝通，得到客戶的認可，我們又通過項目組成員討論研究，查閱資料，將系統進一步優化，開發出優化后的版本，我們系統的優點：根據場館特點，做了智能化大數據的分析，使中控系統可以更全面、直觀地了解整個館內的照明及展品設備的運行狀態；同時，我們采用有線和無線結合的控制方式，在控制模塊上不但設計了RJ-45的有線連接接口，還設計了Wi-Fi模塊，可以根據科技館內的網絡狀況，靈活考慮使用有線控制還是無線控制。

4.3 研究結果

4.3.1 系統構成

智能化中控系統的主要設備包括服務器、路由器、POE交換機、無線AP、平板電腦、終端Wi-Fi控制模塊、網絡強電控制箱幾部分組成。中控系統拓撲圖如下圖：

圖1 中控系統拓撲圖

4.3.2 系統主要功能

(1)通過電腦客戶端，用平板電腦、手機等控制整個場館燈光的開啟和關閉。

(2)通過電腦客戶端，用平板電腦、手機等控制整個場館展項的開啟和關閉。

(3)通過為服務器電腦設置定時開關機命令，使其控制展項和燈光每日定時開啟和關閉。

(4)實時檢測展項的各個模塊狀態，在檢測到某個模塊故障時，自動發送問題清單至系統服務器，并通知維修人員及時維修。在維修成功后，自動檢測并完成維修清單。

(5)每周自動生成展品運行狀態記錄表，并發送至相關人員微信，方便其查閱。

(6)可以通過中控Web管理平臺配置展項控制及燈光控制相關信息。

(7)可以通過中控Web管理平臺查詢展項相關的信息，包括歷史運行記錄、備件存量、故障日志等。

(8)整個中控都是基于無線局域網來運行，因此需要為科技館進行無死角無線網絡覆蓋，保證中控系統穩定運行。

4.3.3 軟件功能架構

該中控軟件共分為四個軟件，客戶端中控程序/APP中控程序、服務端程序、網絡節點配置Web程序、Wi-Fi控制模塊程序，其具體功能如下：

設計原則：易擴展，方便維護，運行穩定。

圖2

圖3

4.3.4 軟件技術

4.3.4.1 平臺架構

中控系統中的所有子系統主機采用分布式管理技術，通過物聯網、局域網、萬維網與中央主機連接，構成離散型網絡拓撲結構。系統采用分布式CS與BS兩種程序架構，后臺數據庫服務端采用大型數據庫，中間件使用MQTT通信技術，客戶端采用小程序、H5、APP和瀏覽器的方式，用戶能夠在統一的操作平臺界面通過簡單的操作完成對各種設備子系統的監控。

數據庫采用mysql，存儲容量大，并支持多用戶并發操作數據，數據庫的安全性高，有安全密碼設置，數據以基礎編碼方式存儲。查詢速度快，保證系統流暢、數據存儲的安全。

4.3.4.2 開發工具

采用html、JavaScript、PHP、C#等開發語言開，開發速度快、穩定、容易維護。采用PHP、Apache服務器開發查詢系統(BS架構)，PHP是目前最主流的開發環境，目前大部分系統都采用PHP來開發，系統的擴展性、延續性非常優秀，維護特別方便。

4.3.4.3 系統模塊設計

(1)中控服務端。集中管理所有Wi-Fi模塊，控制Wi-Fi模塊開合關閉，獲取Wi-Fi模塊當前的狀態，通知和接受客戶端和PC端發過來的指令。將展項故障信息直接下發至管理人員短信、微信等。此軟件是整個中控軟件大腦。

(2)中控網絡節點配置Web程序。集中管理所有的Wi-Fi設備，做好相應的接口，供中控服務端和客戶端調用。

(3)中控客戶端。一鍵開機和關機，每個展項開機，每個區域開機，可以語音控制，所有的配置信息從中控Web管理平臺中獲取，可查看展項的運行狀態。

(4)Wi-Fi控制模塊程序。接受中控服務端發過來的關機命令，并關閉電腦；檢測展項電腦網絡是否正常；監測前端展項的運行狀態，故障報警，通斷控制，用電展項的供電電壓、電流等數據的實時采集監控。

5 研究結論

科技館的智能化中控系統需要充分考慮科技館所涉及的各類設備及特點，利用網絡迅速發展的優勢，運用Web技術與Wi-Fi技術，對館內展項設備進行智能化大數據的分析，將設備運行狀態和數據以圖形化方式，直觀地呈現在用戶操作界面上。

我們所設計的智能化中控系統的特點如下：

(1)多種訪問系統的方式：在終端電腦主機上打開Web瀏覽器訪問系統；手機上安裝APP訪問系統；還可以使用iPad等移動設備，安裝APP訪問系統。

(2)增加移動設備的訪問功能，可以為展廳和管理員配備平板電腦，或者使用管理員自己的普通手機，成本低廉且使用方便。

(3)可以實現遠程控制場館內照明和設備的統一管理，可一鍵式開關機和照明；可分展廳、分區域管理照明和設備；也可單獨對指定照明和展項設備進行管理。

(4)可實現數據自動統計與存儲管理及信息自動推送。

(5)增加展品維保信息數據統計分析功能。

(6)系統可以在科技館展廳規劃初期設計時介入，也可以在展廳已經投入使用后期改造時介入。如果在規劃初期設計時介入，可以設計有線網絡和無線網絡同時接入，系統支持同時使用有線和無線方式進行控制和數據采集；如果在后期改造時介入，不具備有線網絡條件時，可以全部采用無線網絡連接，在展廳內安裝無線AP，覆蓋整個展廳。