基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室設(shè)計

車轔轔，孔英會，趙建立，程文清

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，打破了人們傳統(tǒng)的思維方式，給人類生活帶來巨大的變革[1－2]。從核心構(gòu)成來說，物聯(lián)網(wǎng)由云計算的分布式中央處理單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)和感應(yīng)識別末梢組成[3－4]。未來的物聯(lián)網(wǎng)就像人體那樣，不同的感應(yīng)識別末梢完成不同的功能處理，通過中央處理單元協(xié)同運作，最終組成智能化的控制系統(tǒng)[5－6]。隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)涉及到各類產(chǎn)業(yè)和人們生活的方方面面，將大大提升互聯(lián)和智能方面的特性，使實現(xiàn)智慧地球的夢想成為可能[7－9]。

本文提出一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室設(shè)計方案，并在華北電力大學(xué)現(xiàn)代無線通信實驗室的改建項目中予以實現(xiàn)。智慧實驗室項目的建設(shè)，旨在提高實驗信息服務(wù)質(zhì)量的同時，將RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室中，構(gòu)建一個開放、共通的通信實驗室平臺。該平臺在全面采集和深度分析實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提供互動、共享、協(xié)作的應(yīng)用和服務(wù)，充分滿足教師、學(xué)生和實驗管理人員等不同用戶的需求，實現(xiàn)教育信息資源的充分利用[10－11]。

1 總體設(shè)計

為了充分體現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)在傳輸中的功能，使學(xué)生全面了解現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智慧實驗室體系設(shè)計需要考慮以下幾個方面的需求：

（1）通過無線組網(wǎng)實現(xiàn)建筑物內(nèi)部各層之間，同層各個房間之間數(shù)據(jù)的傳輸，構(gòu)成實驗室體系的傳輸網(wǎng)絡(luò)；

（2）能夠體現(xiàn)不同的無線組網(wǎng)技術(shù)；

（3）能夠采集多種環(huán)境參數(shù)，從而全面監(jiān)測實驗室環(huán)境，確保實驗室安全；

（4）實驗者和實驗設(shè)備能夠“物物互聯(lián)”、“物人互聯(lián)”、“人人互聯(lián)”；

（5）易于進行網(wǎng)絡(luò)部署、組網(wǎng)和擴展，僅需較少人工干預(yù)和配置，即可較快地組建網(wǎng)絡(luò)并開始正常工作。

根據(jù)上述功能需求，設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。智慧實驗室體系主要由平臺子系統(tǒng)、中心服務(wù)器和客戶端3部分構(gòu)成。平臺子系統(tǒng)利用溫濕度、光照、氣體、煙霧、圖像等多種傳感器件和射頻識別設(shè)備，全面感知環(huán)境和設(shè)備信息，然后利用RJ45接口，通過公共通信網(wǎng)絡(luò)（包括無線通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)），把感知的信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)實驗平臺的中心服務(wù)器并且保存到數(shù)據(jù)庫中，再利用平臺對收集到的信息進行分析和處理，最后客戶端可利用不同的終端進行訪問和控制[12]。

圖1 智慧實驗室體系框架

2 功能框架

智慧實驗室由5個功能系統(tǒng)和1個物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗中心平臺組成。5個功能系統(tǒng)分別是：（1）基于無線ZigBee傳感器的智能家居系統(tǒng)；（2）實驗箱管理系統(tǒng)；（3）基于RFID技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)；（4）基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；（5）基于電力線通信的智能用電管理系統(tǒng)。這5個功能系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗中心平臺進行Web發(fā)布，其平臺的訪問頁面如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實驗中心平臺的訪問頁面

各個系統(tǒng)完成的主要功能如下：

（1）智能家居系統(tǒng)。通過控制臺和移動智能終端可以操控?zé)艄?、窗簾、空調(diào)等家居設(shè)備，并且可以實時監(jiān)測、存儲和管理溫濕度和煙霧參數(shù)。通過無線傳感器可對特定區(qū)域的溫濕度、光照參數(shù)進行檢測，對可控的終端進行策略操作。例如檢測到室內(nèi)溫度到達某一設(shè)定值時可以自動開啟空調(diào)；對煙霧變化進行檢測；對有可能發(fā)生的危害進行預(yù)警。

（2）實驗箱管理系統(tǒng)。通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)每個實驗箱與服務(wù)器端的通信。在實驗過程中，教師可以在服務(wù)器端的界面觀察到每個學(xué)生的實驗進程，更好地掌握學(xué)生的實驗進度，有助于教師及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。實驗箱可以對做實驗的學(xué)生進行電子簽到，達到實驗室無紙化管理的目的。

（3）RFID設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成實驗室內(nèi)設(shè)備的管理功能，具體描述如下：

儀器設(shè)備庫：實驗儀器設(shè)備的購買入庫，對于儀器查詢和準(zhǔn)確定位起到一定作用；

儀器借用管理：通過管理平臺，教師可以將空閑儀器設(shè)備借出使用；

儀器維修記錄：記錄儀器設(shè)備的維修、報廢情況；

操作記錄查詢：儀器的使用信息記錄和查詢；

智能圍欄：在貴重設(shè)備上加裝帶有傳感功能的定位標(biāo)簽，除可以實時定位外，一旦設(shè)備離開特定區(qū)域就會觸發(fā)報警。

（4）智能用電管理系統(tǒng)。通過遙測和遙控可以合理調(diào)配負荷，實現(xiàn)優(yōu)化運行，有效節(jié)約電能，并且通過終端軟件可以實現(xiàn)對電表的電流、電壓、功率及通信狀態(tài)的實時采集和監(jiān)控，可實現(xiàn)對信息采集丟包率的分析，還可對超過預(yù)定設(shè)置的相關(guān)參數(shù)值進行報警。

（5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品組成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，在多個重要地點進行視頻監(jiān)控。對特定區(qū)域的入侵、物品遺留、人體行為、物品丟失、實驗室人群密度等進行檢測。

（6）物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗中心平臺。對智能家居、實驗箱管理、RFID設(shè)備管理、智能用電管理、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行集成互聯(lián)，并通過一個中心軟件顯示并控制各個系統(tǒng)。也可通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)視與控制，實現(xiàn)互動。系統(tǒng)可以利用單點、多點、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)為傳輸方式，進行無線和有線傳輸，以獲得全面綜合的體驗。

3 技術(shù)方法

智慧實驗室系統(tǒng)利用有線和無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)框架構(gòu)建，能夠快速部署安裝，通過可視化物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗中心平臺可以實現(xiàn)前述5個功能系統(tǒng)。不同管理模塊的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由部署在實驗室的無線傳感器基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、部署在不同樓層的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以及實驗室監(jiān)控與管理中心3部分體系結(jié)構(gòu)組成。

圖3 智慧實驗室網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.1 基于無線ZigBee傳感器的智能家居系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)由環(huán)境感知層、信息網(wǎng)絡(luò)層和信息處理應(yīng)用層組成，可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的信息讀取與控制。

環(huán)境感知層由溫濕度、光敏、煙霧等傳感器及電視、電燈、窗簾等開關(guān)控制器件構(gòu)建而成；信息網(wǎng)絡(luò)層采用無線技術(shù)和有線技術(shù)進行搭建；信息處理層用來控制中心系統(tǒng)連接電視機、空調(diào)、窗簾、臺燈等，通過感知層采集到數(shù)據(jù)，結(jié)合自定義的策略，運算得出結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的動作。

各個終端節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過有線與交換機相連并將信號送往 Web服務(wù)器，最終可通過Internet、GPRS等網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制。系統(tǒng)路徑均可以實現(xiàn)雙向通信。

3.2 基于RFID技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)

運用先進的RFID技術(shù)，對固定資產(chǎn)管理模式進行優(yōu)化與整合。實驗室門口安裝防盜讀寫器，只要有設(shè)備被移出實驗室，系統(tǒng)就會立刻報警。每個房間的設(shè)備資產(chǎn)都有統(tǒng)一的編號，方便對資產(chǎn)的轉(zhuǎn)移情況進行管理。

3.3 基于電力線通信的智能用電管理系統(tǒng)

智能用電管理系統(tǒng)依托校園網(wǎng)、電力線載波組網(wǎng)，硬件主要包括監(jiān)控終端、采集器、智能電表、通信模塊、計算機等，軟件包括前置機軟件和測試客戶端軟件。智能電表之間利用電力載波通信，使用DL645-2007規(guī)約通信。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及實驗箱管理系統(tǒng)

用Strix Mesh產(chǎn)品的無線模塊（WLAN＋Mesh）搭建視頻監(jiān)控系統(tǒng)和實驗箱管理系統(tǒng)，可以完成視頻信號在建筑物內(nèi)部各樓層之間、同樓層各個房間之間的數(shù)據(jù)無障礙流暢傳輸。這是由于Mesh設(shè)備具有以下特點：

（1）低功耗、可靠性高、傳輸速率高；

（2）室內(nèi)設(shè)備體積小，容易布網(wǎng)；

（3）網(wǎng)絡(luò)配置和維護簡便快捷；

（4）自組織，自愈合，可升級的多跳網(wǎng)絡(luò)；

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)發(fā)和管理；

（6）可與其他平臺設(shè)備互聯(lián)互通。

視頻采集終端和實驗箱通過無線網(wǎng)卡發(fā)送其采集到的實時信息，這些信息由Mesh節(jié)點收集到數(shù)據(jù)然后傳送到Mesh協(xié)調(diào)節(jié)點，由協(xié)調(diào)節(jié)點通過以太網(wǎng)傳送給交換機，然后連接到服務(wù)器上顯示采集內(nèi)容。該網(wǎng)絡(luò)可以自動選擇帶寬最好的節(jié)點進行自動組網(wǎng)。

4 結(jié)束語

為了使學(xué)生全面了解各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳輸功能，智慧實驗室系統(tǒng)采用RFID技術(shù)進行信息采集、采用ZigBee技術(shù)進行短距離布網(wǎng)、采用Mesh技術(shù)進行長距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。該系統(tǒng)依托華北電力大學(xué)現(xiàn)代無線通信實驗室改建項目，已經(jīng)建成了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、開放共通的智慧實驗室平臺。

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