基于多傳感器的實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫克爭(zhēng)1，湯麗娟1，梁龍兵2

（1.江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇南通 226000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣學(xué)院，江蘇徐州 221008）

基于多傳感器的實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫克爭(zhēng)1，湯麗娟1，梁龍兵2

（1.江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇南通 226000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣學(xué)院，江蘇徐州 221008）

針對(duì)應(yīng)用化學(xué)、冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)、電工電子、報(bào)關(guān)模擬等專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)室的工作特點(diǎn)和工作要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于Android平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)室智能管理控制系統(tǒng)；介紹了系統(tǒng)的組成與工作原理、軟件開(kāi)發(fā)與硬件設(shè)計(jì)方案；基于Android平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)室智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)室及設(shè)備的智能控制，為實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理、人員管理和教學(xué)管理提供了方便，并為實(shí)訓(xùn)室的安全提供保障，提高了設(shè)備的使用效率。

智能實(shí)訓(xùn)室；多傳感器；實(shí)訓(xùn)室管理；網(wǎng)關(guān)

1 實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于Android平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)主要由手機(jī)終端、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)和被控設(shè)備組成。以手機(jī)為終端控制設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備及查看實(shí)訓(xùn)室的使用情況。整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片是STM32F107［3］，其他模塊分為傳感器模塊，繼電器開(kāi)關(guān)模塊，外擴(kuò)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊以及服務(wù)器模塊，其中傳感器模塊包括光敏傳感器模塊、溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊等，外擴(kuò)模塊包括頻率外擴(kuò)和電流外擴(kuò)。系統(tǒng)運(yùn)作框圖如圖1所示。各傳感器采集各種數(shù)據(jù)由STM32（1）模塊接收和處理后，將結(jié)果發(fā)送給無(wú)線收發(fā)模塊（1），無(wú)線收發(fā)模塊（1）將數(shù)據(jù)傳送給無(wú)線收發(fā)模塊（2），再由無(wú)線收發(fā)模塊（2）將數(shù)據(jù)傳送至STM32（2）模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32（2）模塊處理后，通過(guò)RS232串口上傳至服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的硬件電路部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 主控模塊

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)硬件電路部分的核心，作為實(shí)訓(xùn)室特定的應(yīng)用場(chǎng)景，需要提供高性能、低成本、低功耗并且能夠在外圍電路增加一些電平轉(zhuǎn)換，為實(shí)訓(xùn)室所配置的傳感器的輸出提供豐富的接口，滿足各類(lèi)傳感器的需求。基于此，本系統(tǒng)選用的STM32F107芯片作為處理器［3］。該模塊的主要功能有兩方面，一方面是負(fù)責(zé)處理各傳感器輸入的各種數(shù)據(jù)并且通過(guò)收發(fā)模塊傳送出去，另一方面是接收傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并且處理后上傳至服務(wù)器，同時(shí)也具有往外發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。為了滿足實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性需求，本設(shè)計(jì)在主控芯片中預(yù)留了十幾個(gè)接口以滿足不同傳感器可以接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多功能。STM32F107具體原理如圖2所示。

圖2 STM32F107原理圖

2.2 繼電器控制開(kāi)關(guān)模塊

實(shí)訓(xùn)室的安全管理是所有教學(xué)和科研工作正常進(jìn)行的基本保障。當(dāng)有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，能夠及時(shí)控制實(shí)訓(xùn)室的電閘及開(kāi)關(guān)設(shè)備尤為重要。本模塊旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室電閘以及相應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制，利用繼電器的收發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)電閘的開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)訓(xùn)室電力系統(tǒng)電閘及開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制。結(jié)合實(shí)訓(xùn)室的具體情況，本模塊采用STM32F107芯片［3］，通過(guò)PA5端口電壓的有無(wú)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)STM32F107的給PA5端“1”的時(shí)候，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器形成通路，開(kāi)關(guān)閉合即電閘閉合，給PA5端“0”的時(shí)候，三極管截止，繼電器電路不通，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，即電閘斷開(kāi)，具體的電路原理如圖3所示。

2.3 光敏傳感器模塊

化學(xué)實(shí)訓(xùn)室、物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)等實(shí)訓(xùn)室對(duì)光照要求比較高，普通實(shí)訓(xùn)室在無(wú)人使用的時(shí)候，實(shí)訓(xùn)室的燈是否關(guān)閉等都對(duì)實(shí)訓(xùn)室管理人員提出了要求。鑒于此本系統(tǒng)配置光敏傳感器，用來(lái)判斷對(duì)光照要求比較高的實(shí)訓(xùn)室的光照情況以及普通實(shí)訓(xùn)室的燈是否在沒(méi)人的時(shí)候，處于關(guān)閉的狀態(tài)。本模塊采用的主控芯片是LM358［4］，根據(jù)光照的強(qiáng)弱，通過(guò)前期數(shù)據(jù)測(cè)量，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)判斷光照強(qiáng)弱及實(shí)訓(xùn)室?guī)妆K燈開(kāi)著的情況，結(jié)合繼電器模塊通過(guò)繼電器來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉。具體原理如圖4所示。

2.4 濕度傳感器模塊

本模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室室內(nèi)濕度的采集，以確保實(shí)訓(xùn)室不會(huì)因?yàn)榭諝鉂穸瘸霈F(xiàn)安全問(wèn)題，同時(shí)保障實(shí)訓(xùn)室濕度始終處在人和設(shè)備舒適的范圍內(nèi)。本模塊采用新一代的數(shù)字溫濕度傳感器的高端型號(hào)SHT25［5］主控芯片，是數(shù)字濕度傳感器尺寸最小的濕度傳感器，芯片數(shù)據(jù)采集及傳輸是通過(guò)IIC總線實(shí)現(xiàn)，可滿足多種條件應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)相比，SHT25能保證更高的精度（濕度1.8%，0.2°C典型值），是一款新型設(shè)計(jì)的精密傳感器芯片。具體電路如圖5所示。

2.5 溫度傳感器模塊

本模塊有兩個(gè)作用：一個(gè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)溫度實(shí)時(shí)顯示；另一個(gè)是可以用來(lái)判斷實(shí)訓(xùn)室的窗戶是否處于關(guān)閉的狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在每個(gè)窗口安裝一個(gè)溫度傳感器，同時(shí)遠(yuǎn)離出口的位置也安裝一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)有窗戶打開(kāi)是，此窗戶附近的傳感器得到的溫度和其他關(guān)閉窗戶附近的以及遠(yuǎn)離窗戶傳感器溫度值不一樣，為實(shí)訓(xùn)室管理人員提供依據(jù)。本模塊采用的主控芯片是DS18B20［6］，具體實(shí)現(xiàn)的電路如圖6所示。

2.6 無(wú)線收發(fā)模塊

該模塊是實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室智能控制的重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，本模塊采用的主控芯片是nRF401芯片［7］，是一個(gè)為433 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF無(wú)線收發(fā)芯片。nRF401芯片采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高工作速率可以達(dá)到20 K發(fā)射功率，可以調(diào)整最大發(fā)射功率是＋10 dBm，具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示。

2.7 頻率電流擴(kuò)展模塊

該模塊作為系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊，為以后系統(tǒng)的升級(jí)和實(shí)訓(xùn)室后加傳感器預(yù)留接口，現(xiàn)在市場(chǎng)上的主流傳感器輸出多是電流或頻率。當(dāng)實(shí)訓(xùn)室需要增加新的功能傳感器時(shí)，只需要將相應(yīng)的傳感器接在擴(kuò)展的接口上，再通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)，而不用更換設(shè)備，或者重新布局，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。頻率預(yù)留接口原理如圖8所示，電流預(yù)留接口的原理如圖9所示。

圖3 繼電器控制原理圖

圖4 光敏傳感器原理圖

圖5 濕度傳感器原理圖

圖6 溫度傳感器原理圖

圖7 無(wú)線收發(fā)模塊

圖8 頻率預(yù)留接口原理圖

圖9 電流預(yù)留接口原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Android的實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，即用戶視圖模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及日志管理模塊［10］，為便于人機(jī)交互和設(shè)置參數(shù)，視圖模塊采用了簡(jiǎn)潔美觀的界面。用戶通過(guò)手機(jī)終端登錄實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，查詢(xún)實(shí)訓(xùn)室溫度、濕度、窗戶、燈、開(kāi)關(guān)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室的智能控制。具體工作運(yùn)行流程如圖10所示。

3.1 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

客戶端設(shè)計(jì)采用Eclipse和Android SDK包搭建開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Java編程語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)客戶端應(yīng)用程序［8］。手機(jī)客戶端采用基于TCP／IP的Socket通信機(jī)制與服務(wù)器進(jìn)行通信［9］。首先手機(jī)客戶端通過(guò)4G／3G／2G、WIFI、GPRS等網(wǎng)絡(luò)接入Internet，獲得唯一IP地址，然后啟動(dòng)Socket監(jiān)聽(tīng)與服務(wù)器端通信的端口。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

／／創(chuàng)建一個(gè)流套接字并將其連接到服務(wù)器的指定端口

socket＝newSocket（IP_ADDR，PORT）；

／／讀取服務(wù)器端數(shù)據(jù)

DataInputStream input＝new DataInputStream（socket.getInput-Stream（））；

／／向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)

DataOutputStream out＝new DataOutputStream（socket.get OutputStream（））；

圖10 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖

3.2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

設(shè)備端采用Android提供的消息分發(fā)機(jī)制，將從網(wǎng)關(guān)返回的消息分發(fā)到各個(gè)頁(yè)面，更新設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，給終端用戶顯示。系統(tǒng)先啟動(dòng)服務(wù)器端，用來(lái)一直監(jiān)聽(tīng)客戶端端口是否有連接請(qǐng)求，服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)到請(qǐng)求后向客戶端發(fā)回接受消息，建立連接，啟動(dòng)一個(gè)線程去處理這次請(qǐng)求，然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)其他終端客戶的請(qǐng)求。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Android SDK中的View類(lèi)代表了一個(gè)空白的矩形區(qū)域，而所有的UI組件（例如文本框組件、按鈕組件、圖片瀏覽組件等）都繼承了View類(lèi)，可以使用View類(lèi)的屬性和方法［11］。

服務(wù)器端接收到客戶端的請(qǐng)求后，根據(jù)數(shù)據(jù)包格式（＃control|編號(hào)|控制）中的＃control字符判別發(fā)送操作設(shè)備信息，然后將數(shù)據(jù)包信息分離后經(jīng)過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送到串口［12］。部分實(shí)現(xiàn)代碼：

3.3 系統(tǒng)的運(yùn)行界面及分析

手機(jī)終端通過(guò)用戶名和密碼登錄實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)，進(jìn)入管理系統(tǒng)主界面，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室控制與管理，系統(tǒng)運(yùn)行的部分界面如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)運(yùn)行界面

該系統(tǒng)能夠通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)備控制界面實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與管理，如設(shè)備管理模塊可以將設(shè)備編號(hào)，實(shí)訓(xùn)基地編號(hào)，部門(mén)編號(hào)添加至系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)備的參數(shù)配置根據(jù)每門(mén)實(shí)訓(xùn)課程的要求進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后通過(guò)系統(tǒng)向遠(yuǎn)程服務(wù)器端發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開(kāi)，關(guān)，延時(shí)開(kāi)關(guān)等。同時(shí)可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的傳感器返回的參數(shù)，來(lái)調(diào)整整個(gè)實(shí)訓(xùn)室的環(huán)境，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室智能化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于多傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種Android平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體框架、硬件與軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，用戶使用終端設(shè)備可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室及設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理，為實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理和教學(xué)管理人員提供了方便，并為實(shí)訓(xùn)室的安全提供保障，提高了設(shè)備的使用效率。

［1］國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定［EB／OL］.（2014-5-13）［2016-07-02］.http：／／www.moe.edu.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／moe_1778／201406／170691.html.

［2］高 遠(yuǎn)，李益民，秦永法，等.職業(yè)教育師范生專(zhuān)業(yè)技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：173 -176.

［3］STM32F107數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB／OL］.［2016-09］.http：／／www.st.com／st－web－ui／static／active／en／resource／technical／document／datasheet／CD00220364.pdf

［4］LM358數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB／OL］.［2012-05-23］.http：／／www.ti.com.cn／cn／lit／ds／symlink／lm358.pdf

［5］SHT25數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB／OL］.［2016-07-09］.http：／／product.dzsc.com／product／infomation／357507／20130301035503375.html

［6］DS18B20數(shù)據(jù)手冊(cè) ［2010-08-21］.http：／／wenku.baidu.com／link？url

［7］Chen Y，Liu Z Y，Distributed Intelligent City Street Lamp Monitoring and Control SystemBased onWireless Communication chip nRF401 ［A］.International Conference on Networks Security，Wireless Communications and Trusted Computing［C］.2009：278-281.

［8］郭宏志.Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［9］羅軍舟.TCP／IP協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［10］徐 峰，基于Android平臺(tái)的智能家居客戶端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2012.

［11］李東煒，劉鎮(zhèn)章.基于Android智能手機(jī)的實(shí)訓(xùn)室預(yù)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)訓(xùn)技術(shù)與管理，2012，29（12）：196-202.

［12］唐 璐，田傳耕，祖茂衡，等.基于Android的實(shí)訓(xùn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)訓(xùn)技術(shù)與管理，2015，32（5）：149-152.

Design and Implementation of Smart Laboratory Management System Based on Multi Sensors

Sun Kezheng1，Tang Lijuan1，Liang Longbing2

（1.Jiangsu Vocational College of Business，Nantong 226011，China；2.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology Xuzhou 221116，China）

Considering the requirements and features of the experimental equipment of the Internet of Things（Io T）、Mobile Internet、electrical and electronical，a suite smart manage and control system of the laboratory is designed based on Android.We introduce the principle and components of the system，system software and hardware design scheme and implementation.The intelligent control system based on Android platform provides the control of laboratory and equipment as well as improves the efficiency of utilizing and managing equipment.It also provides convenience for laboratory equipment management，personnel management and teaching management personnel and improves the laboratory safety and security.

smart laboratory；multi sensors；laboratory management；gateway

1671-4598（2016）08-0286-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.078

：TN713

：A

0 引言

2016-03-08；

：2016-03-25。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51504214）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51204186）；南通市科技計(jì)劃項(xiàng)目（BK2014022）。

孫克爭(zhēng)（1983-），男，江蘇連云港人，碩士，講師，主要從事軟件設(shè)計(jì)、信息安全和圖像處理方向的研究。

職業(yè)教育被提升為國(guó)民教育體系的重要組成部分，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和勞動(dòng)力就業(yè)的重要途徑。國(guó)務(wù)院在《關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定》中提出：要加快構(gòu)建現(xiàn)代職教體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］。職業(yè)院校是培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型、技能型人才的主要基地［2］，人才培養(yǎng)目標(biāo)有別于高等教育，因此在整個(gè)人才培養(yǎng)方案中注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，加大了實(shí)踐性課程的比重。為培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)技能型人才，江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院成立了應(yīng)用化學(xué)、冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)、報(bào)關(guān)模擬、物聯(lián)網(wǎng)和電工電子等實(shí)訓(xùn)基地群，近80個(gè)校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)室，配備了先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)材料、儀器儀表、及大型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，其中有些實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備是通480 V強(qiáng)電壓，有的實(shí)訓(xùn)室對(duì)溫濕度有要求，還有些實(shí)訓(xùn)室設(shè)備是需要提前進(jìn)行配置的，這給實(shí)訓(xùn)室管理提出了更高的要求。因此，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)室智能管理系統(tǒng)是非常有意義的。