智能實驗室的研究與設(shè)計

張波 周廣林 李金澤 李發(fā)英

摘要：該文在已有的對實驗室的各項環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)控及顯示的基礎(chǔ)上，我們在此對該項目的研究進行擴展和優(yōu)化，以達到智能實驗室和移動端APP的切實聯(lián)系，使得項目的研究不僅僅是停留在笨拙的數(shù)據(jù)獲取與再現(xiàn)的淺顯層面，通過閾值處理和wifi網(wǎng)絡(luò)搭建協(xié)調(diào)器與移動端的雙向通信的橋梁，實現(xiàn)設(shè)備的自處理和人對實驗室內(nèi)各項智能設(shè)備的信息反饋進行相應(yīng)控制，實現(xiàn)真正意義上的智能控制。

關(guān)鍵詞：智能控制;網(wǎng)絡(luò)雙向通信;移動端APP;閥值自處理

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0251-02

1項目背景

本系統(tǒng)在第一階段的工作中展開。在第一階段的工作中：除了對整個系統(tǒng)的研究和設(shè)計進行了總的規(guī)劃外;硬件方面，主要完成了各類環(huán)境類型傳感器（如溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器等）的布置、職能劃分、硬件編碼和數(shù)據(jù)的單向傳輸（數(shù)據(jù)流由終端到協(xié)調(diào)器）;軟件方面，開發(fā)了簡約、美觀的APP對協(xié)調(diào)器所回傳的數(shù)據(jù)以實時的數(shù)值進行接收過濾、統(tǒng)計、格式化和展示。本文正是在這種背景下展開的。

2概述

第二階段的設(shè)計目標(biāo)是：硬件方面，通過編碼的方式，實現(xiàn)燈光控制、窗簾控制、風(fēng)扇控制、門窗監(jiān)視和通風(fēng)換氣等功能;軟件方面，借用第一階段的Android界面，新增閾值處理和語音識別技術(shù);軟硬結(jié)合，實現(xiàn)實驗室的智能化管理。

3關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)雙向通信

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，是用大量的傳感器通過自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，由于獨特的組網(wǎng)方式，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置十分靈活，可以和互聯(lián)網(wǎng)進行有線和無線方式的連接，甚至設(shè)備位置受到更改也絲毫不影響信息的傳輸。

3.2閾值自控制

由人來對各種傳感器傳回的信息進行選擇控制是不及時且不現(xiàn)實的。在傳感器代碼編寫時，通過給定某一類傳感器一個環(huán)境閾值，使得當(dāng)環(huán)境信息超過或低于閾值時，由傳感網(wǎng)絡(luò)自行判斷對當(dāng)前的環(huán)境做出何種反應(yīng)，以此來提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和資源利用率，降低使用者的壓力。

3.3語音識別

語音識別技術(shù)，也被稱為自動語音識別Automatic speechRecognition，（ASR），其目標(biāo)是將人類的語音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計算機可讀的輸入。在設(shè)計APP時結(jié)合訊飛語音識別技術(shù)開發(fā)了語音操作模塊。該模塊界面中給出相應(yīng)的關(guān)鍵詞提示，以便在用戶不便手指操作時通過關(guān)鍵詞語音的方式，操作傳感器完成相應(yīng)動作。

4需求分析

4.1系統(tǒng)功能需求

本系統(tǒng)主要由燈光控制系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)、風(fēng)扇控制系統(tǒng)、門窗監(jiān)視系統(tǒng)、通風(fēng)換氣系統(tǒng)五大模塊構(gòu)成。硬件方面主要是通過各種傳感器和Zigbee技術(shù)實現(xiàn)，軟件方面是通過An-droid實現(xiàn)。

5概要設(shè)計

5.1總體設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)如圖1：軟件結(jié)構(gòu)如圖2：

6詳細設(shè)計

6.1硬件設(shè)計

硬件的詳細設(shè)計主要圍繞著硬件的部署和硬件各部分的協(xié)調(diào)控制進行展開的，各個部分的工作方式及觸發(fā)條件，我們主要從以下五個方面進行闡述：

1）燈光控制系統(tǒng)：

燈光控制系統(tǒng)由光照傳感器、人體紅外傳感器、窗簾控制系統(tǒng)聯(lián)合組成。通過光照傳感器判斷室內(nèi)亮度，當(dāng)室內(nèi)亮度超過最高閾值時，傳感器自動工作，燈管控制系統(tǒng)工作關(guān)燈，若低于最低閾值時，則自動開燈;人體紅外傳感器判斷實驗室當(dāng)前情況下是否有人在，若室內(nèi)無人，則窗簾控制系統(tǒng)工作拉上窗簾，燈光控制系統(tǒng)工作關(guān)燈，反之，處于關(guān)閉狀態(tài)。

2）窗簾控制系統(tǒng)：

窗簾控制系統(tǒng)由光照傳感器、繼電器、步進電機發(fā)揮主要作用。采集光照傳感器的數(shù)據(jù)并分析，根據(jù)編碼時的預(yù)設(shè)值，來控制窗簾的自動開、關(guān)來實現(xiàn)實驗室內(nèi)的光照補償，節(jié)能減排。

3）風(fēng)扇控制系統(tǒng)：

風(fēng)扇控制系統(tǒng)由溫濕度傳感器、繼電器、人體紅外傳感器參與控制。通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度，通過分析數(shù)據(jù)，根據(jù)編碼時的預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)溫度高于最高閾值時，繼電器控制開啟風(fēng)扇。當(dāng)室內(nèi)溫度低于最低閾值時，自動關(guān)閉風(fēng)扇。同時當(dāng)人體紅外傳感器檢測到室內(nèi)無人時，風(fēng)扇自動關(guān)閉。

4）門窗監(jiān)視系統(tǒng)：

門窗監(jiān)視系統(tǒng)由紅外對射裝置主導(dǎo)，設(shè)置敏感時間喚醒安裝在門口的紅外對射裝置，當(dāng)有人試圖非法進入時，信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綐菍庸芾韱T的APP賬號，APP進行邏輯判斷后發(fā)出報警，警告有人非法入侵。

5）通風(fēng)換氣系統(tǒng)：

通風(fēng)換氣系統(tǒng)由抽風(fēng)機、可燃氣體傳感器等器件構(gòu)成。通過可燃氣體傳感器監(jiān)測室內(nèi)可燃氣體（甲烷）濃度，通過分析數(shù)據(jù)，根據(jù)編碼時的預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)可燃氣體濃度高于危險值時，自動開啟抽風(fēng)機，排除室內(nèi)可燃氣體，以免發(fā)生危險。

6.2軟件設(shè)計

軟件的詳細設(shè)計，基礎(chǔ)第一階段的雛形進行擴展，我們在硬件代碼編寫時，加入了預(yù)設(shè)值的判斷邏輯塊，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)閾值自行處理一些簡單的事務(wù);APP方面進行了界面的美觀和代碼的重構(gòu)，并添加了強大的訊飛語音輸入模塊，支持“懶人”操作。

新增功能：

閾值自處理：在系統(tǒng)中設(shè)置閾值，當(dāng)?shù)陀诨虼笥谀硞€閾值時，系統(tǒng)能夠執(zhí)行相應(yīng)的功能。

語音識別：當(dāng)收到語音指令時，能夠執(zhí)行相應(yīng)語音指令，如：開關(guān)燈、風(fēng)扇的開關(guān)等。

7總結(jié)

高校實驗室的智能化所帶來的不僅僅是管理模式上的改進，更為重要的是，運用科技、改變生活的實踐活動與學(xué)生更加貼近，學(xué)生能更加真切地感受到科技所帶來的變化，激發(fā)起學(xué)習(xí)的興趣，提高教育質(zhì)量。

本系統(tǒng)實現(xiàn)燈光控制、門窗監(jiān)視、窗簾控制、風(fēng)扇控制、通風(fēng)換氣等功能，不僅改變了傳統(tǒng)的實驗室管理模式，而且提供了一個簡單、快捷、有效的管理方法，減少了實驗管理人員，提高了資源的利用率。