基于物聯(lián)網(wǎng)控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)研究

王辰,張賓

（無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

0 引言

隨著我國職業(yè)教育改革重心由“教育”轉(zhuǎn)向“產(chǎn)教”，產(chǎn)業(yè)與教學(xué)的結(jié)合也越來越密切[1]，實(shí)驗(yàn)室作為提高產(chǎn)教融合水平的重要場所，學(xué)校的投入也逐年增加，實(shí)驗(yàn)室管理的重要性不言而喻。然而各地高校在實(shí)驗(yàn)室使用和管理過程中存在著諸多問題，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)室教學(xué)工作的進(jìn)行[2]。如何規(guī)范化、便捷化、高效管理實(shí)驗(yàn)室成為高校需要解決的問題。因此，通過信息化管理手段，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能、高效的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理，不僅能夠克服傳統(tǒng)管理方法的弊端，還能夠?yàn)榻處煛W(xué)生提供一個(gè)更加便捷化的實(shí)驗(yàn)平臺，有利于提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，為學(xué)校的教學(xué)科研打下良好的基礎(chǔ)。

1 高校實(shí)驗(yàn)室管理的不足及信息化實(shí)驗(yàn)室的重要性

實(shí)驗(yàn)室作為高校教學(xué)的重要一環(huán)，是學(xué)校進(jìn)行人才培養(yǎng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、對外交流的重要場所。高校對學(xué)生實(shí)際操作能力的要求不斷提升，對實(shí)驗(yàn)室的投入力度不斷加大，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器的數(shù)量和種類不斷增多，學(xué)生參與度較逐漸升高，實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)任務(wù)越來越繁重，對實(shí)驗(yàn)室的安全保障要求也不斷提高，隨之帶來的問題就是實(shí)驗(yàn)室的管理難度越來越高，同時(shí)也暴露出實(shí)驗(yàn)室管理的一些問題。

1.1 管理不規(guī)范

高校實(shí)驗(yàn)室管理人員不足且專職管理員比重不高的情況較為普遍，從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，這會影響實(shí)驗(yàn)室的管理的規(guī)范性，不利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一體化建設(shè)。其次，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理不規(guī)范，購入的設(shè)備多以紙質(zhì)記錄的方式完成入庫，設(shè)備明細(xì)查找困難，導(dǎo)致設(shè)備重復(fù)采購，造成設(shè)備堆積。借還設(shè)備流程不規(guī)范，借用者僅在管理員的口頭允許下借用設(shè)備，設(shè)備去向不明確導(dǎo)致設(shè)備丟失[3]。

1.2 管理不便捷

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室管理還處在人工管理階段，實(shí)驗(yàn)室的開放和關(guān)閉完全依靠管理員手動操作，管理效率低下。信息化管理水平低，實(shí)驗(yàn)耗材的統(tǒng)計(jì)不便利，學(xué)生課余時(shí)間實(shí)驗(yàn)室使用申請困難，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室使用率低。除此之外，實(shí)驗(yàn)室安全管理不規(guī)范，僅靠管理員巡查管理，缺少環(huán)境安全監(jiān)測設(shè)施，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室異常情況，一旦發(fā)生火災(zāi)等情況，會造成巨大損失。

1.3 實(shí)驗(yàn)室信息化管理的必要性

借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)室信息化管理水平，促進(jìn)一體化建設(shè)進(jìn)程，不但可以提高實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作效率，還可以全方位、全過程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)的使用情況。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)測到異常情況及時(shí)上報(bào)處理，很大程度上降低安全事故發(fā)生的概率，極大地提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的管理，為師生提供更加舒適便捷的實(shí)驗(yàn)條件，為提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)平臺。

2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)室的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及控制設(shè)備與云平臺連接，通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸并實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，異常情況及時(shí)觸發(fā)策略并上報(bào)至手機(jī)App，手機(jī)App 實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)可以下發(fā)控制指令遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室。此外還可通過現(xiàn)場操作的方式管理實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)線上線下并行管理模式，提高實(shí)驗(yàn)室管理效率，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、信息化管理。對此，管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下。

實(shí)驗(yàn)室供電機(jī)制是針對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量大，設(shè)備功耗高等特點(diǎn)，為避免實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生不必要的電能浪費(fèi)所設(shè)計(jì)的供電模式，采取兩種供電方式，一是通過刷卡方式供電，教師進(jìn)入教室后可進(jìn)行刷卡取電，一次供電時(shí)間為兩個(gè)課時(shí)，在下課10分鐘后系統(tǒng)自動切斷實(shí)驗(yàn)室供電。二是實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程供電模式，該模式下由管理員控制實(shí)驗(yàn)室的供電時(shí)長，在實(shí)驗(yàn)室使用完畢后能夠及時(shí)切斷電源，避免了電能浪費(fèi)，及時(shí)斷電也可確保實(shí)驗(yàn)室電路不會因?yàn)殚L時(shí)間工作導(dǎo)致負(fù)載過大而發(fā)生火災(zāi)。

實(shí)驗(yàn)室開放功能，第一種為現(xiàn)場開放，考慮到響應(yīng)速度、體積、功耗等方面，選擇射頻識別開放方式，教師可通過校園卡刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)室的使用，避免學(xué)生未經(jīng)申請違規(guī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室造成設(shè)備損壞的情況發(fā)生。第二種是通過管理員遠(yuǎn)程開放，管理員可以通過手機(jī)App下發(fā)控制指令授權(quán)開放實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室使用申請功能，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)時(shí)間以外處于關(guān)閉狀態(tài)，學(xué)生沒有條件繼續(xù)實(shí)操，缺少動手實(shí)踐的機(jī)會和平臺。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了學(xué)生課后申請使用功能，學(xué)生能夠根據(jù)學(xué)習(xí)的需求和自身的學(xué)習(xí)情況，通過實(shí)驗(yàn)室管理平臺實(shí)名向?qū)嶒?yàn)室管理員提出實(shí)驗(yàn)室使用需求，以“誰申請誰負(fù)責(zé)”的機(jī)制使用實(shí)驗(yàn)室，管理員通過審核后，設(shè)定實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間段。

實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測功能，為排除實(shí)驗(yàn)室發(fā)生安全事故的隱患，保證師生在安全環(huán)境下進(jìn)行科研教學(xué)活動，系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，包括實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、有害氣體成分、火災(zāi)、水淹等，并設(shè)置了異常報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)測到異常情況時(shí)及時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置并將警報(bào)信息上傳至云平臺，若監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生則及時(shí)觸發(fā)滅火裝置，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的安全情況。

整套系統(tǒng)留有設(shè)計(jì)冗余，提供可擴(kuò)展外設(shè)的設(shè)備接口，后期可完善加裝執(zhí)行、監(jiān)測及其他輔助性設(shè)備等。

3 物聯(lián)網(wǎng)控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。感知層，主要完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的監(jiān)測，包括溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度，火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測實(shí)驗(yàn)室是否發(fā)生火災(zāi)，水浸傳感器監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的水浸情況；網(wǎng)絡(luò)層，主要將采集的傳感器數(shù)據(jù)的傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上云傳輸，作為實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站；應(yīng)用層，編寫手機(jī)APP 管理程序和控制界面，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是否異常并下發(fā)控制指令，處理實(shí)驗(yàn)室的申請請求，遠(yuǎn)程監(jiān)測管理實(shí)驗(yàn)室，對各類信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和人之間的交互。實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)框圖

3.2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測執(zhí)行模塊使用CC2530單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和控制指令下發(fā)的核心，此款單片機(jī)專門針對IEEE802.15.4 和Zigbee 應(yīng)用的單芯片解決方案，能夠以低功耗狀態(tài)長時(shí)間運(yùn)行[5]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)，溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⑺鞲衅鞣謩e搭載到ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行端包括報(bào)警器、滅火裝置，分別搭載到ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，Zig-Bee 通過協(xié)議棧的方式構(gòu)建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器并將控制指令下發(fā)到控制終端，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生則會自動啟動滅火裝置和報(bào)警器，并把火災(zāi)信息上報(bào)至管理員處。以傳感器和執(zhí)行器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能監(jiān)測管理[6]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，ZigBee使用ZStack協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令由STM32接收之后通過串口下發(fā)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到指令后啟動報(bào)警或滅火裝置。

圖2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主控模塊使用STM32F407ZGT6 作為主控芯片，其工作頻率為168MHz，采用3.6V 供電。主控模塊通過串口與ZigBee 協(xié)調(diào)器相連[7]，主控模塊通過串口實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取。同時(shí)，主控模塊搭載RFID 設(shè)備實(shí)現(xiàn)門控功能[8]，可通過刷卡開啟實(shí)驗(yàn)室，也可通過手機(jī)App下發(fā)指令遠(yuǎn)程控制開啟。另外主控模塊搭載繼電器，可智能控制實(shí)驗(yàn)室的供電系統(tǒng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室啟動供電，下課后及時(shí)斷電，防止電能浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)智能供電功能。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的上傳至云平臺以及控制指令的下發(fā)是通過主控模塊搭載的EPS8266 實(shí)現(xiàn)的，主控模塊通過AT指令控制ESP8266連接無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的通信從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制。

ESP8266一款功能強(qiáng)大的WIFI模塊，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，本系統(tǒng)中使用ESP8266 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。以MQTT 作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議，MQTT 協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱模式的通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一對多分發(fā)，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP 協(xié)議上[9]。在MQTT 協(xié)議中有發(fā)布者、代理（服務(wù)器）、訂閱者三種身份，客戶端是消息的發(fā)布者和訂閱，服務(wù)器是消息代理，訂閱者也可以是消息的發(fā)布者。在本系統(tǒng)中，下位機(jī)作為訂閱者和發(fā)布者，云服務(wù)器作為代理，手機(jī)端作為訂閱者和發(fā)布者，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器后，可通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置管理策略實(shí)現(xiàn)自動觸發(fā)，例如當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時(shí)，觸發(fā)異常策略，下發(fā)滅火指令，啟動滅火裝置、觸發(fā)報(bào)警器并向管理員發(fā)送報(bào)警信息[10]。關(guān)于數(shù)據(jù)的存儲，上傳至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)可以通過給定的接口存儲至數(shù)據(jù)庫中，編寫程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)App 端，手機(jī)App 分為管理員端和用戶端，管理員可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程管理控制，用戶端可提交課后實(shí)驗(yàn)室的使用申請，由管理員授權(quán)使用，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)測試分析

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)不僅可以提高實(shí)驗(yàn)室的信息化管理水平，也為師生的科研工作提供了一個(gè)平臺，為學(xué)生的競賽訓(xùn)練提供了一個(gè)便捷的場所。在完成開發(fā)設(shè)計(jì)后對系統(tǒng)進(jìn)行測試分析。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試，能夠?qū)崿F(xiàn)所有終端的通信；對于數(shù)據(jù)上報(bào)及策略觸發(fā)的測試，在溫濕度測試中，改變傳感器附近的溫度和濕度，在云服務(wù)器和手機(jī)App上溫度和濕度數(shù)值發(fā)生相應(yīng)變化；對氣體和火焰?zhèn)鞲衅鞯臏y試，人為改變兩個(gè)傳感器附近的環(huán)境在云服務(wù)器和手機(jī)App 端氣體監(jiān)測端和火焰監(jiān)測端均有數(shù)值發(fā)生變化，同時(shí)，當(dāng)氣體和火焰達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)觸發(fā)云平臺的策略，啟動實(shí)驗(yàn)室報(bào)警器并觸發(fā)滅火裝置，管理員端收到報(bào)警信息。指令控制測試，管理員手機(jī)App端點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)室開啟或關(guān)閉按鍵，經(jīng)過幾秒鐘的延時(shí)后實(shí)驗(yàn)室門觸發(fā)相應(yīng)動作并且實(shí)驗(yàn)室自動供電。RFID 門禁測試，測試人員使用測試卡靠近RFID傳感器，實(shí)驗(yàn)室門自動解鎖，在管理員端顯示相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室門已開啟。因此判定基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的測試成功。但也存在一些問題需要進(jìn)一步研究解決，ESP8266 在訪問云平臺時(shí)，會出現(xiàn)隔一段時(shí)間自動斷網(wǎng)的情況，目前還沒有找到原因。

5 結(jié)束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)中搭建了ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行器的控制，主控系統(tǒng)搭載了無線Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的通信，控制端采用手機(jī)App的形式，在App中實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程管理控制實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理。本系統(tǒng)的應(yīng)用適用范圍較廣，經(jīng)過調(diào)整修改可以廣泛應(yīng)用于其他需要智能管理的場景。