基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

駱雪匯

摘要：本文根據(jù)高校開放式實驗室教學(xué)與管理需求而設(shè)計和實現(xiàn)的實驗室管理系統(tǒng)，主要從管理平臺、通信系統(tǒng)、電源管理、網(wǎng)絡(luò)層等幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以Zigbee和Arduino為核心控制器，利用物聯(lián)網(wǎng)與各種傳感器、單片機(jī)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。最終設(shè)計完成了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方法，滿足了高校實驗室開放式教學(xué)的要求， 達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：實驗室管理;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);通信;電源管理

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0084-03

0 引言

近年來隨著高校翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革的發(fā)展和校園網(wǎng)上教學(xué)資源的逐步豐富。學(xué)生在課余時間進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)的動力得到了加強(qiáng)，與此同時實驗室的日常開放學(xué)習(xí)也迫在眉睫，成為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革建設(shè)中極為重要的部分。實驗室安防是校園管理的重要組成，然而伴隨著實驗室的開放需求所引出來的安全管理問題也日益突出。改進(jìn)校園實驗室管理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個有效的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是利用射頻自動識別技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物和物之間的自動識別及信息的共享，在這物與物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)里，相互之間通信無需人的操作與干預(yù)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為支撐，實現(xiàn)了信息采集靈活和傳輸可靠性高以及易維護(hù)等優(yōu)勢，因此逐漸成為實驗室安全管理系統(tǒng)的發(fā)展和研究方向。本研究提出了運(yùn)用目前應(yīng)用越來越廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從根本上實現(xiàn)開放實驗室管理的智能化、自動化和實時化的管理系統(tǒng)平臺，并對其中的實訓(xùn)室管理系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理平臺設(shè)計

為了滿足高職院校的實驗室開放式教學(xué)的實際需求，本文研究設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理平臺。平臺的初步解決方案，此管理平臺主要包括硬件系統(tǒng)、架構(gòu)和軟件系統(tǒng)三大部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

管理平臺借助于遠(yuǎn)端PC或移動終端設(shè)備，可通過學(xué)校校園網(wǎng)連接實驗室管理系統(tǒng)的服務(wù)器，實時地了解實驗室的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的管理分配。而物聯(lián)網(wǎng)的無線設(shè)備接入點(diǎn)則共同組成“無線傳感網(wǎng)”，通過射頻技術(shù)（RFID）、傳感器實現(xiàn)智能化識別、定位和監(jiān)控當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。因此在本項目內(nèi)容里重點(diǎn)完成了ZigBee通信系統(tǒng)模塊和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)設(shè)計關(guān)鍵問題的研究。

2 基于ZigBee的通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 Zigbee的選用

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。Zig Bee由于其可靠性、低功耗、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全等特性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、供應(yīng)鏈自動化、工業(yè)自動化等，可以嵌入各種設(shè)備。隨著開源單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)平臺Arduino的應(yīng)用普及，基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的XBee系列產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛的是Digi公司的XBee，XBee按照性能分為XBee和XBee pro兩種，XBee pro相對于XBee具有更高的功耗和更遠(yuǎn)的傳輸距，這里因?qū)嶋H需求選用XBee pro。

2.2 XBee的設(shè)置

XBee是一個無線的通信模塊，因此將XBee通過USB口與電腦相連，XBee模塊與單片機(jī)的串口通信有transparent和API兩種操作模。將XBee模塊通過串口與PC相連，使用XCTU對模塊進(jìn)行測試、修改參數(shù)，首先搜索與PC連接的XBee模塊，默認(rèn)波特率為9600。成功添加XBee模塊后選中XBee模塊可以獲取到該模塊對應(yīng)的配置參數(shù)并進(jìn)行修改，設(shè)置軟件的“Modem Configuration”選項修改“PANID”等參數(shù)再寫入到XBee模塊。因為對于屬于同一個網(wǎng)絡(luò)中的XBee模塊來說這個參數(shù)一定要相同。

2.3 將XBee連接到Arduino

為了增強(qiáng)整個系統(tǒng)的功能，需要將XBee連接到單片機(jī)上，本項目選擇開源單片機(jī)開發(fā)平臺Arduino作為XBee模塊的控制面板。XBee是通過串口通信（即TX，RX口）實現(xiàn)與單片機(jī)的通信，同時Arduino與電腦之間的通信也是通過串口。

兩個Xbee分別插在Xbee適配器上，與電腦連接。用XCTU對兩個Xbee進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)配置，參數(shù)設(shè)置如下：2個模塊都設(shè)置ZS=2 SC=8，ID設(shè)置相同;A模塊為協(xié)調(diào)器 AT，即CE=1;B模塊為路由器 AT，即CE=0;A的DH設(shè)置為B的SH，A的DL設(shè)置為B的SL;B的DH設(shè)置為A的SH，B的DL設(shè)置為A的SL;JV為1。

配置好后，取下Xbee。將兩個Arduino連接電腦，分別燒錄程序。因為我們需要用到兩個串口，而Arduino只有一個串口，因此需要設(shè)置軟串口。這里使用數(shù)字引腳2、3模擬軟串口，將2設(shè)置為RX，3設(shè)置為TX。完成后接電源可以在本地端的Arduino串口監(jiān)視器里開始發(fā)送數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)成塊數(shù)據(jù)的傳輸比如將采集到的各種傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，則要根據(jù)模式重新設(shè)置。本項目使用Arduino可以根據(jù)實際需要采用大多數(shù)常見外圍器件及其第三方函數(shù)庫，這樣就大大地減少編程工作量或降低編程的難度。

3 遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計

3.1 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計

門禁控制是實驗室管理的重要組成部分，其主要由射頻識別、單片機(jī)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)組成。因為學(xué)校的每位學(xué)生都有學(xué)生卡且教師都有自己的教工卡，故可以采用射頻識別這種無線通信技術(shù)，利用無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。每位使用人員的卡均有不同的信號數(shù)據(jù)，通過檢測其中的不同頻率信號進(jìn)行識別，并將該數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳送至服務(wù)器，然后管理系統(tǒng)進(jìn)行信息比對，進(jìn)而判斷該請求是否有效，再將處理結(jié)果通過物聯(lián)網(wǎng)反饋到Arduino單片機(jī)控制器進(jìn)行最終的控制處理，流程圖如圖2所示。

3.2 電源控制模塊設(shè)計

電源控制模塊以Arduino單片機(jī)為控制器核心，通過ZigBee通信模塊與服務(wù)器控制端進(jìn)行通信，接收服務(wù)器端的電源控制和查詢命令。另ZigBee無線通信模塊與Arduino單片機(jī)通過串口通信，驅(qū)動繼電器來實現(xiàn)對工作臺交流電源開關(guān)的控制。工作臺電源控制模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示;220V交流變12V、3.3V雙路直流輸出模塊提供電壓;繼電器控制電路控制電源電路開關(guān)以及反饋工作臺電源狀態(tài)。

工作臺電源控制模塊的繼電器控制電路原理圖如圖4所示。由地Arduino單片機(jī)I/O管腳驅(qū)動電流最大為20mA，然而工作臺電源控制模塊使用的12V常開繼電器的負(fù)荷電流達(dá)到50mA，超過Arduino引腳最大電流。為解決Arduino管腳的驅(qū)動能力不足問題這里重新設(shè)計了一個兩級三極管放大電路作為繼電器的驅(qū)動電路。Q1、Q2 分別使用PNP和NPN三極管，繼電器線圈作為Q2三極管的集電極輸出負(fù)載。為了讓工作臺的交流電電源閉合，那么RELAY-CON控制端口就要輸出低電平，這時Q2三極管集電極與發(fā)射極之間導(dǎo)通，繼電器線圈得電吸合即可。反之如果要切斷工作臺繼電器線圈電路，這時RELAY-CON輸出高電平，交流工作電路完成斷開。

同時還設(shè)計了反饋電路將工作臺交流電源的閉合或者斷開狀態(tài)反饋給上位機(jī)，電路如圖4所示。RELAY-STA端口是上位機(jī)讀取工作臺交流電源狀態(tài)的端口，同時為保護(hù)上位機(jī)，這里設(shè)計了隔離光電耦合開關(guān)將交流電源與單片機(jī)電路隔離起來。

Arduino控制工作臺電源模塊的流程圖如圖5所示，控制流程主要包括初始化、接收服務(wù)器處理端命令、校驗編號是否一致和執(zhí)行控制端的命令。初始化程程序主要完成Arduino控制器的初始化設(shè)置，完成初始化后，將進(jìn)入主程序循環(huán)運(yùn)行，如果這時接收到服務(wù)器端發(fā)來的命令，則對命令中的編號與學(xué)生校園網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)容預(yù)約工位的編號進(jìn)行比對是否一致，如果編號一致，這時工作臺電源控制模塊將執(zhí)行打開命令，否則一直循環(huán)等待。

4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

現(xiàn)在所有的云端的物聯(lián)網(wǎng)平臺和設(shè)備之間的通信，本質(zhì)上都是建構(gòu)在TCP/IP協(xié)議之上，只是對數(shù)據(jù)包的再封裝而已，因此我們可以用wifi，4g來實現(xiàn)設(shè)備和云平臺的通訊，不過設(shè)備與設(shè)備之間的通訊，可以有wifi，Bluetooth，zigbee等。

而本項目中Arduino單片機(jī)與實驗室管理上位機(jī)服務(wù)器之間通過zigbee串口協(xié)議進(jìn)行信息交互，Arduino將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器電腦，然后服務(wù)器通過指令開啟http：sudo service apache2 start。

網(wǎng)頁服務(wù)器開啟之后，實驗室的實時數(shù)據(jù)可以傳輸至網(wǎng)絡(luò)端，并為跨平臺的多終端設(shè)備提供訪問服務(wù)。這些終端設(shè)備中要打開瀏覽器，然后輸入服務(wù)器的IP地址即可以訪問查看實驗室的實時數(shù)據(jù)信息。本設(shè)計采用了TCP/IPv6協(xié)議，不同網(wǎng)段的設(shè)備也都可以通過這個ipv6地址訪問到系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文針對我們提出的高校實驗室管理方案，使用Arduino單片機(jī)作為控制器，ZigBee作為通信模塊，設(shè)計了實驗室電源等控制的管理系統(tǒng)。這種設(shè)計不但避免了使用復(fù)雜的控制芯片，成本也不高，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

本系統(tǒng)不僅能夠正確地接收來自物聯(lián)網(wǎng)的指令并對其進(jìn)行解釋，也能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需求進(jìn)行擴(kuò)展，控制實驗室的設(shè)備按照主機(jī)的要求運(yùn)行并有足夠的精度和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊剛，沈沛意，鄭春紅，等.物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2] 王瑾.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理技術(shù)[J].電腦知識與技術(shù)，2010（7x）：5741-5742.

[3] 劉云飛，田華明，王鼎.軍校實驗室管理和信息化建設(shè)[J].價值工程，2017，36（28）：57-59.

[4] 李君.實驗室綜合管理平臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].青島：中國海洋大學(xué)，2010.

[5] 王為，王春潮，李小昱.關(guān)于開放實驗室建設(shè)的思考與探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：272-273+276.

[6] 蓋功琪，宋國利.開放式實驗教學(xué)管理模式的研究與實踐[J].黑龍江高教研，2016（5）：57-59.

[7] 盛希寧，顧濟(jì)華.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與通信實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（10）47-49+57.