基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃鴻鋒

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)人工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理存在需要實(shí)驗(yàn)室管理人員多，管理人員無法及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室情況，出現(xiàn)忘記關(guān)電、關(guān)窗造成電源浪費(fèi)和設(shè)備損壞等情況，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”，綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。管理人員通過系統(tǒng)可及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，更好發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)?？蒲泻腿瞬排囵B(yǎng)重要平臺(tái)的作用。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+;實(shí)驗(yàn)室;智能化管理;Android;Socket

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）10-0235-03

1背景

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與廣泛推廣應(yīng)用，綜合利用各種技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件的智慧管理已廣泛應(yīng)用于智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室作為高校重要的教學(xué)和科研平臺(tái)，是保障學(xué)校正常教學(xué)開展和科研社會(huì)服務(wù)的基礎(chǔ)，而在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理中，主要是設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室管理崗位，專人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的管理，但隨著高校的擴(kuò)招，高校的實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備不斷的增加，由于實(shí)驗(yàn)室崗位人數(shù)的限制，致使實(shí)驗(yàn)室管理人員無法做到對(duì)實(shí)驗(yàn)室的精確管理，出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理人員無法及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室情況，出現(xiàn)忘記關(guān)電、關(guān)窗造成電源浪費(fèi)和設(shè)備損壞等情況，造成學(xué)校財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)還無法保障學(xué)校正常教學(xué)和科研社會(huì)服務(wù)，影響學(xué)校的發(fā)展，針對(duì)以上情況，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，管理人員通過系統(tǒng)可及時(shí)實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室的情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，更好發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)校科研和人才培養(yǎng)重要平臺(tái)的作用。

2系統(tǒng)架構(gòu)和整體方案設(shè)計(jì)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，從功能上把實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)分為兩部分：分別是Android手機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集終端及控制。數(shù)據(jù)采集和控制主要利用窗簾電機(jī)來實(shí)現(xiàn)窗簾開關(guān)，窗戶電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶的開關(guān)，電器控制實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室照明系統(tǒng)，傳感器監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室溫濕度;An-droid手機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)通過對(duì)數(shù)據(jù)采集和控制端發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能控制，主要包括登錄模塊、開關(guān)控制模塊、照明控制模塊、窗戶和窗簾控制模塊。系統(tǒng)兩大模塊，Android手機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)通過GPRS數(shù)據(jù)流量或者WIFI連接到云端服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集和控制端通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接到云端服務(wù)器，同時(shí)通過WIFI連接到數(shù)據(jù)采集和控制端，系統(tǒng)總體框架如圖l所示。

由智能控制和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組網(wǎng)形成底層無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集終端安裝于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)，利用信道網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的信息傳輸;對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的接口編程，對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與控制，達(dá)成實(shí)驗(yàn)室的智能控制。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)管理人員無論在何地，只要有網(wǎng)絡(luò)即可利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的管理，利用云端服務(wù)器將系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上部署，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。通過端口映射將外網(wǎng)主機(jī)IP映射到內(nèi)網(wǎng)提供服務(wù)。用戶訪問云端服務(wù)器對(duì)應(yīng)的端口時(shí)，自動(dòng)將請(qǐng)求映射到內(nèi)部主機(jī)，然后在服務(wù)器上安裝JAVA環(huán)境，并將服務(wù)器程序上傳到云端服務(wù)器。在手機(jī)客戶端和信息機(jī)OT程序添加云端服務(wù)器的IP地址和端口映射端口號(hào)即可。

實(shí)驗(yàn)室溫濕度數(shù)據(jù)的采集通過溫濕度控制模塊處理。通過編寫程序指令控制開發(fā)板，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)窗戶、窗簾和風(fēng)扇的開關(guān)。多功能顯示版模塊控制開發(fā)板發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)照明和空調(diào)的開關(guān)。通過以上功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理。

3實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1通信模塊

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，基于Andriod對(duì)TCP協(xié)議有很好的支持，TCP協(xié)議是一種面向連接的傳輸控制協(xié)議，具有面向連接、可靠性、準(zhǔn)確性強(qiáng)和全雙工的特點(diǎn)?；谙到y(tǒng)使用的可靠性，通信傳輸協(xié)議選擇TCP協(xié)議。TCP協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)具體過程：首先客戶端向服務(wù)器發(fā)送SYN包，并進(jìn)人SYN_SEND等待服務(wù)器確認(rèn)狀態(tài)，服務(wù)器收到SYN包確認(rèn)后向客戶端返回一個(gè)SYN包，同時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN-RECV狀態(tài)，當(dāng)客戶端收到服務(wù)器返回的SYN包向服務(wù)器發(fā)送ACK確認(rèn)包，服務(wù)器收到ACK確認(rèn)包后客戶端與服務(wù)器即建立了有效的通信連接。TCP協(xié)議工作方式具體過程如圖2所示：

Socket是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式，通過Socket編程可為其他應(yīng)用協(xié)議的提供通信。本實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)移動(dòng)端與服務(wù)器端的通信采用Socke通信方式實(shí)現(xiàn)，具體過程是創(chuàng)建Socket對(duì)象，打開通信輸人輸出流。Socket通信包括面向連接的Socket通信和無連接的Socket通信，面向連接的Socket通信首先要啟動(dòng)服務(wù)器，通過Socket0函數(shù)調(diào)用Socket對(duì)象，其他其次通過Bind（）函數(shù)綁定本地網(wǎng)絡(luò)IP地址和Socket對(duì)象，然后調(diào)用listen0函數(shù)使Socket對(duì)象處于偵聽的狀態(tài)。

Socket服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)客戶端的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，利用JAVA語言實(shí)現(xiàn)Socket服務(wù)器，客戶端通過IP地址和端口號(hào)與服務(wù)器建立請(qǐng)求連接和數(shù)據(jù)收發(fā)。Socket客戶端對(duì)象使用Android實(shí)現(xiàn)，并與服務(wù)器IP和端口綁定，實(shí)現(xiàn)阻塞的acceptfl函數(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器等待客戶端接入，當(dāng)雙方IP與端口匹配成功后，雙方則建立了有效的連接，客戶端調(diào)用read0和writeO函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。服務(wù)器和客戶端Socket通信實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3.2登錄模塊

系統(tǒng)用戶輸人管理人員分配的用戶名和密碼即可登錄系統(tǒng)，登錄后系統(tǒng)自動(dòng)載入主界面，用戶通過系統(tǒng)主界面的功能按鈕即可快捷地對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行控制管理。系統(tǒng)登錄流程圖如圖4所示，系統(tǒng)登錄界面如圖5所示。

系統(tǒng)登錄成功后跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)室智能管理功能控制主界面，如圖6所示，在功能控制度界面上有控制實(shí)驗(yàn)室的功能面板，如窗戶、窗簾、溫度、照明和空調(diào)等。點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的設(shè)備操控，方便管理人員使用。

3.3開關(guān)控制模塊

要實(shí)現(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)室中窗戶、窗簾的開關(guān)，需要開關(guān)控制繼電器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中窗戶、窗簾等的開關(guān)控制利用繼電器控制實(shí)現(xiàn)。本模塊通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取和控制實(shí)驗(yàn)室窗戶、窗簾等的開關(guān)。開關(guān)控制模塊是實(shí)驗(yàn)室控制管理所有開關(guān)操作設(shè)備打開和關(guān)閉的集合，管理人員點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的開關(guān)，Android手機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)發(fā)會(huì)遠(yuǎn)程發(fā)送相關(guān)指令給對(duì)應(yīng)的設(shè)備和數(shù)據(jù)采集終端，對(duì)應(yīng)的設(shè)備接收到指令后就會(huì)執(zhí)行命令動(dòng)作改變對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，并將采集的開關(guān)終端狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)端。應(yīng)用程序會(huì)實(shí)時(shí)獲取開關(guān)的狀態(tài)并刷新顯示。用戶也可以通過開關(guān)控制按鈕實(shí)現(xiàn)開關(guān)的控制。開關(guān)控制模塊底層硬件實(shí)現(xiàn)由Zig-Bee主控制模塊收到由從控制模塊傳送的信息后，智能家居信息機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入接收信息狀態(tài);在接收完數(shù)據(jù)后主控模塊切換到發(fā)射模式，返回反饋的信息。CC2530將接收到的數(shù)據(jù)傳送給信息機(jī)，經(jīng)處理后在顯示家居設(shè)備的狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，通過信息機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口與無線路由器相連，內(nèi)存數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到指定服務(wù)器中。開關(guān)控制底層硬件模塊組成及連通框圖如圖7所示。

3.4照明控制模塊

本模塊的功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室光線照明的調(diào)節(jié)。由于在各不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下光線照明亮度需求會(huì)不相同，通過調(diào)節(jié)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的照明度，可以實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)室的照明條件需求并節(jié)能環(huán)保。

照明控制模塊界面的也是通過相關(guān)的功能按鈕實(shí)現(xiàn)照明的操控。因照明變化快，所以有照明度改變請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)每秒從數(shù)據(jù)終端獲取當(dāng)前照明數(shù)據(jù)值并顯示在程序界面。直到照明度達(dá)到要求時(shí)停止。刷新按鈕則實(shí)現(xiàn)照明數(shù)據(jù)的再次讀取并顯示。讀取的數(shù)值會(huì)在圖8的環(huán)境數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示。

4系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1底層網(wǎng)關(guān)通信及數(shù)據(jù)采集測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的有效性，保證實(shí)驗(yàn)室管理的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)底層網(wǎng)關(guān)通信及數(shù)據(jù)采集進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試在底層信息采集過程會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)關(guān)信息機(jī)無法接收到或是只能部分接收到硬件層傳感器信息和無法控制設(shè)備現(xiàn)象。對(duì)測(cè)試出來的問題進(jìn)行分析，排除傳感器和電控設(shè)備本身不存在損壞并能正常工作之后，主要問題出現(xiàn)在Zigbee數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在某些時(shí)候Zigbee協(xié)調(diào)器掉電的情況下，某個(gè)傳感器在一定時(shí)間尋找不到網(wǎng)絡(luò)之后會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候要重新觸發(fā)，或是重新重現(xiàn)按照先啟動(dòng)信息機(jī)網(wǎng)關(guān)，再依次給每個(gè)傳感器通電，這樣可以保證每個(gè)設(shè)備正常連接。如果還出現(xiàn)上述問題或是傳輸不穩(wěn)定，在傳輸信道固定的情況，最好把每個(gè)Zigbee模塊PAN_ID固定四位十六進(jìn)制數(shù)，不要采用默認(rèn)的OXFFFF值，否則會(huì)出現(xiàn)傳輸過程PAN_ID值動(dòng)態(tài)變化而傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

4.2系統(tǒng)安防監(jiān)控功能測(cè)試

系統(tǒng)中除控制實(shí)驗(yàn)室管理功能外，還有實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)監(jiān)控安防設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的安防監(jiān)控管理，通過測(cè)試，在網(wǎng)關(guān)信息機(jī)中能正常接收控制設(shè)備且手機(jī)正常連接4G網(wǎng)絡(luò)的情況，APP應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)接收和控制部分傳感器和設(shè)備情況下，測(cè)試到315M類和433M類的安防設(shè)備沒有數(shù)據(jù)返回。針對(duì)此問題，在實(shí)際測(cè)試使用多個(gè)移動(dòng)終端連接智能家居系統(tǒng)，315M類和433M類的主動(dòng)上傳安防設(shè)備連接到移動(dòng)終端后，在服務(wù)器端口會(huì)保存該IP地址，當(dāng)關(guān)掉該移動(dòng)終端設(shè)備后再連接其他設(shè)備會(huì)出現(xiàn)315M類和433M類無法獲取數(shù)據(jù)。出現(xiàn)該情況可以全部斷開連接的移動(dòng)終端，重新啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)信息機(jī)無線連接，使用一臺(tái)設(shè)備連接可以恢復(fù)通信;或者在服務(wù)器端口中不斷刷新IP存儲(chǔ)空間以獲取新的連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)該類傳感器信息。

5結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)以“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)框架為依托，綜合利用網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)和軟件技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的智能遠(yuǎn)程控制管理，系統(tǒng)由Android手機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集終端兩部分組成，各部分獨(dú)立并通過內(nèi)網(wǎng)、公網(wǎng)和云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信連接和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保證了該系統(tǒng)具有較高的擴(kuò)展性、維護(hù)性和應(yīng)用性?？蛻舳塑浖捎肁ndroid操作系統(tǒng)為平臺(tái)搭建，Android的廣泛應(yīng)用性，高可靠性等特點(diǎn)，能有效降低本實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的開發(fā)成本，同時(shí)有利于系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)。同時(shí)目前基于Android的應(yīng)用程序已經(jīng)日益豐富，有助于增加各類設(shè)備的控制和應(yīng)用功能。通過系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能管理，為更好發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)?？蒲泻腿瞬排囵B(yǎng)重要平臺(tái)作用提供智能管理支撐。