基于物聯(lián)網(wǎng)的開放實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

柳春曉+柴雷剛+楊旭+楊斐+呂寧+鄭齊操

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0114-03

Abstract： The open laboratory management system based on Internet of Things could realize the laboratory environment monitoring， from the temperature and humidity， light intensity， flammable gas and other aspects， so that the laboratory members can comfortably study in the laboratory. Firstly， by using radio frequency identification technology to achieve the checkin， access control function and the recording function of instrument equipment， the system not only ensures the safety of the laboratory anti-theft， but also automatically records the attendance of the laboratory personnel， reducing the inconvenience of manual recording information； besides， also records the use of laboratory equipment， effectively avoids the equipment loss. Next， the system can further remotely control the windows， lights， and so on， to facilitate the life of laboratory personnel； The data collection， transmission and processing between each module are completed by using ZigBee， various sensors and single chip microcomputer. After that， the research uses PC as the host computer， realtime records and displays the environmental information of the laboratory， therefore uploads data to Http server through ipv6 protocol. It is determined that every device can access the reasonable distribution position of the station by visiting the designed ipv6 website. The design of the system not only satisfies the needs of students for the realtime open laboratory， but also reduces the burden of laboratory management， and meets the open design requirements.

0引言

隨著高校實驗室開放功能的發(fā)展確立，越來越多的學(xué)生也選擇在課余時間進(jìn)入實驗室來學(xué)習(xí)一些專業(yè)技能，導(dǎo)致實驗室的人員不斷增多，人員的流動性也隨即攀升，實驗室在管理方面的工作量日趨繁重。這就要求實驗室引入新的管理模式，來減輕實驗室管理的負(fù)擔(dān)和成本?，F(xiàn)在大多的實驗室都是采用人工管理為主的方法，要改進(jìn)已經(jīng)建成的實驗室管理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是一個良好有效的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與因特網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，在物聯(lián)網(wǎng)中，物與物、物與人之間是能夠相互通信的。綜上分析可知，物聯(lián)網(wǎng)的特性則能全面解決開放型實驗室管理過程中存在的問題，也能使數(shù)據(jù)信息的交換和通信更加穩(wěn)定，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在多個方面得到了突破性進(jìn)展，對于實驗室的管理與發(fā)展也提供了一個有利契機(jī)及選取模式?；诖耍敬窝芯考磳⑽锫?lián)網(wǎng)技術(shù)融進(jìn)了開放實驗室管理系統(tǒng)的建設(shè)實踐中，設(shè)計論述內(nèi)容可具體展開如下。

1系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要分為如下部分：環(huán)境信息檢測模塊、簽到門禁模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)信息交換模塊、設(shè)備借還自動記錄系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制模塊、上位機(jī)信息處理顯示模塊。其中，環(huán)境信息檢測模塊包括溫度、濕度、燈光等信息的檢測和采集。簽到門禁模塊通過射頻識別卡進(jìn)行身份驗證，來規(guī)范統(tǒng)籌實驗室成員的簽到記錄和實驗室的安全保障工作。單片機(jī)控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)模塊共同實現(xiàn)各個部分之間的控制和通信。設(shè)備借還記錄系統(tǒng)通過射頻識別和物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合構(gòu)建而成，能夠完整地記錄每個設(shè)備的借還信息。遠(yuǎn)程控制模塊主要由物聯(lián)網(wǎng)來遠(yuǎn)程控制窗戶、燈光的開關(guān)。上位機(jī)用PC機(jī)來支持系統(tǒng)功能設(shè)定，使各部分的數(shù)據(jù)可以被管理員實時查看，本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可如圖1所示。

2遠(yuǎn)程節(jié)點設(shè)計

2.1門禁與簽到模塊設(shè)計

門禁與簽到模塊是實驗室管理的基礎(chǔ)組成部分，主要由物聯(lián)網(wǎng)、單片機(jī)、上位機(jī)和射頻識別構(gòu)成。其中，射頻識別是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。利用這一特點，可為每位實驗室成員發(fā)放一專屬成員卡，并且各成員卡均將發(fā)出不同的的電訊號，通過檢測無線電信號的不同頻率，來讀取不同的成員信息，判斷信息是否有效后將信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由上位機(jī)給出結(jié)果展示。研究可得，針對門禁與簽到信息的錄入環(huán)節(jié)，設(shè)計模塊的執(zhí)行流程如圖2所示。endprint

2.2環(huán)境監(jiān)測模塊設(shè)計

實驗室環(huán)境檢測模塊設(shè)計也將成為本次實用研究的重點內(nèi)容。該模塊在操作研發(fā)上，可以定時檢測室內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度和可燃?xì)怏w濃度，并按照設(shè)定值提供自動調(diào)節(jié)。當(dāng)可燃?xì)怏w檢測超標(biāo)時就會發(fā)出警報，環(huán)境檢測模塊的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

由圖3可見，環(huán)境監(jiān)測模塊中各部分的功能解析可分述如下：

1）溫濕度檢測。溫濕度檢測使用了DHT11溫濕度傳感器，這是一款自帶已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點。可以將傳感器擺放到實驗室中的多個位置，定時將采集的溫濕度信息由ZigBee發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將采集值與設(shè)定值做出比較，從而自動選取調(diào)節(jié)溫度或打開加濕器等操作。

2）光照強(qiáng)度檢測。人的眼睛由于瞳孔的調(diào)節(jié)作用，對于一定范圍內(nèi)的光輻射都能適應(yīng)，但如果光輻射過強(qiáng)，就會對人們的正常生活和工作帶來不利影響，并在一定限度上損害人體健康。為了避免如上研究問題，這里使用TEMT6000環(huán)境光傳感器來實時檢測實驗室內(nèi)的光照強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光亮度超標(biāo)時，會及早提醒實驗室人員調(diào)暗燈光。

3）可燃?xì)怏w檢測。各類實驗室中都會配備使用到一些酒精、化學(xué)試劑等物品，這就容易產(chǎn)生一些可燃性氣體，當(dāng)實驗室內(nèi)可燃性氣體濃度過高時極易發(fā)生火災(zāi)。研究可知，MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷、液化氣的靈敏度較高，可以支持檢測多種含一氧化碳及可燃性的氣體，是一款適用于廣泛背景場合的低成本傳感器。這里使用MQ-9傳感器，實時檢測室內(nèi)可燃性氣體濃度，當(dāng)濃度超標(biāo)時會發(fā)出警報并自動打開窗戶，能夠有效預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

2.3遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計

遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計主要是為了智能化的便捷操作。例如，學(xué)生在離窗較遠(yuǎn)的地方想要開窗，將無需起身，只要通過遠(yuǎn)程控制，將開窗指令通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到控制窗戶的舵機(jī)就可打開窗戶。另外，燈光由物聯(lián)網(wǎng)控制繼電器來調(diào)節(jié)，窗簾由物聯(lián)網(wǎng)控制電機(jī)來實現(xiàn)，還可根據(jù)需要任意加入其他設(shè)備。遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4設(shè)備借用模塊設(shè)計

開放實驗室的管理工作中，必須正視的一個關(guān)鍵問題就是如何保障借出的設(shè)備不致丟失。為解決此問題，這里主要使用了射頻識別技術(shù)，為每臺設(shè)備中裝入一個RFID標(biāo)簽，如此處理后，每臺設(shè)備就相當(dāng)于有了特定的“電子身份證”。借出時，利用學(xué)生一卡通認(rèn)證后，即可將借用者信息記錄下來，當(dāng)設(shè)備歸還后再將借用記錄自動清除。全程無需人工記錄，不僅省時省力，還不會出現(xiàn)環(huán)節(jié)記錄錯誤。研究給出設(shè)備借用流程如圖5所示。

3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

MCU與Linux電腦之間通過串口協(xié)議建立交互，MCU將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到Linux電腦，Linux端電腦通過如下指令開啟http服務(wù)器：sudo service apache2 start。

網(wǎng)頁服務(wù)器成功開啟后，實驗室監(jiān)控數(shù)據(jù)可以發(fā)布到公網(wǎng)上，從而可為跨平臺多終端設(shè)備提供訪問。安卓、IOS等操作系統(tǒng)的設(shè)備只要打開瀏覽器，輸入Linux電腦的IP地址，即可查看物聯(lián)網(wǎng)實驗室的實時數(shù)據(jù)。

Http服務(wù)器采用TCP/IPv6協(xié)議，擁有一個128位全球唯一的IP地址，由于ipv4地址緊缺，大部分ipv4網(wǎng)絡(luò)都使用了NAT技術(shù)，基于此內(nèi)網(wǎng)設(shè)備就都沒有獨立的公網(wǎng)IP。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層采用ipv6突破內(nèi)網(wǎng)封鎖，不同網(wǎng)段的設(shè)備都可以通過這個全球唯一的ipv6地址訪問到系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)是本次研究設(shè)計的通信中樞，將遠(yuǎn)程節(jié)點的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)控制接收，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU，MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后再通過物聯(lián)網(wǎng)送回遠(yuǎn)程節(jié)點，完成動作。簡單來說，就是為遠(yuǎn)程節(jié)點和MCU搭建一個無線的通信橋梁。4物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計

過程中，由于該系統(tǒng)采用了Http服務(wù)器，因此也采用了超文本標(biāo)記語言HTML5研發(fā)網(wǎng)頁程序，并使用css編寫網(wǎng)頁前端，利用Javascript編寫網(wǎng)頁交互程序，最后通過Python腳本鏈接到Mysql數(shù)據(jù)庫，記錄整理并得到了網(wǎng)頁運營日志。

5結(jié)束語

實驗室是當(dāng)今高校建設(shè)的重要組成部分，隨著科學(xué)的進(jìn)步，開放和智能已然成為日后實驗室的發(fā)展方向。

在前期的調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)一些高校實驗室的管理水平仍屬初級，并且實驗室資源浪費嚴(yán)重。針對這一現(xiàn)狀，本次設(shè)計通過物聯(lián)網(wǎng)與射頻識別技術(shù)的聯(lián)合使用，實現(xiàn)了開放實驗室的智能管理，有效地解決了部分實驗室存在的人員記錄、儀器借用和改造布線難等問題，優(yōu)勢合理地利用了實驗室資源，從而大幅提升了設(shè)備的利用率。

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