基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶躍光 戶曉玲

摘 要：在高校的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越顯現(xiàn)出其重要性。實(shí)驗(yàn)課時(shí)量所占課程的比例在逐年上調(diào)，實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模也在逐年擴(kuò)大。為了維護(hù)實(shí)驗(yàn)室的安全，杜絕實(shí)驗(yàn)用電、用水和火災(zāi)等安全隱患，使之更好地服務(wù)于廣大師生，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中主要的嵌入式技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、無線傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)等，將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理等功能整合于一體，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室不同樓層、不同區(qū)域、不同設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別與采集，并對異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。同時(shí)，為用戶提供在手持客戶端通過APP預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果演示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信精確度較高，響應(yīng)速度較快，可有效提高實(shí)驗(yàn)室的管理和實(shí)驗(yàn)資源的利用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);實(shí)驗(yàn)室管理;嵌入式;環(huán)境監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計(jì);無線傳感器技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-00-04

0 引 言

隨著新工科理念的提出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為高等院?？茖W(xué)發(fā)展、知識(shí)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)下，實(shí)踐能力成為一個(gè)硬性指標(biāo)，由此而產(chǎn)生的就是增加實(shí)驗(yàn)課的比例，提高實(shí)驗(yàn)室的有效利用率，增加實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入，以促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的自我提升。與此相凸顯的是，對實(shí)驗(yàn)室的管理和使用仍然停留在原先的實(shí)驗(yàn)員管理、教師講解和學(xué)生課堂操作的老舊模式上。因此，如何科學(xué)合理地管理實(shí)驗(yàn)室，讓它能高效地服務(wù)高校師生，成為一個(gè)亟待解決的問題。對實(shí)驗(yàn)室的管理主要是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理、實(shí)驗(yàn)室的安全管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理等部分[1]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備管理上一直都是實(shí)驗(yàn)室管理員實(shí)地管理，定期檢查實(shí)驗(yàn)室的用水、用電等安全隱患，只有少部分的科研院所加入了信息化的輔助，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度、濕度、光照和煙霧等進(jìn)行監(jiān)測。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，借助傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息和設(shè)備信息的實(shí)時(shí)采集，可在很大程度上方便實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有效管理。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，絕大部分高校仍然采用傳統(tǒng)意義上的面授方式，即老師講、學(xué)生照做，這種教學(xué)形式對學(xué)生思考探索和課后復(fù)習(xí)有一定的不利因素，形不成系統(tǒng)的體系。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程視頻教學(xué)方式異軍突起[2]，得到了廣泛的應(yīng)用，遠(yuǎn)程教學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀教師、先進(jìn)教學(xué)方法等教學(xué)資源的集中利用，滿足了不同層次用戶的多種需求。應(yīng)用這一理念，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中可有效利用高效豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)資源，應(yīng)用音視頻教學(xué)和操作演示講解實(shí)驗(yàn)教程和實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生從多方面靈活學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，提高實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的日益擴(kuò)大和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的持續(xù)增長，也給實(shí)驗(yàn)室的日常管理帶來了一些新的問題，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理方式已不能滿足現(xiàn)有的管理要求。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與遠(yuǎn)程教育技術(shù)相結(jié)合，采用信息化方法，研制一套集成度較高的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，可輔助實(shí)驗(yàn)室管理人員合理高效地管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、靈活地對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了一種靈活的、更高效的學(xué)習(xí)形式。

1 研究現(xiàn)狀

最近幾年，我國一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注實(shí)驗(yàn)室管理的信息化建設(shè)。北京百奧利盟在2012年推出了針對生物研發(fā)、醫(yī)藥制造和化工企業(yè)管理的Bio-LIMSV1.0[3]，該實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了生化類實(shí)驗(yàn)室在日常、項(xiàng)目課題、庫存、材料消耗及訂購等的主要功能。除此之外，它還能對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的化學(xué)試劑庫存量與使用情況做出智能化分配，并對一些特殊的化學(xué)試劑設(shè)計(jì)定制化管理方案。

此外，行業(yè)中還出現(xiàn)了一些滿足特定領(lǐng)域需求的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。2016年，青島帕特智能科技研制了一套實(shí)驗(yàn)室能耗管理控制系統(tǒng)[4]，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用電設(shè)備的工作情況通過傳感器檢測技術(shù)來感知，并進(jìn)行差別性管理，極大地降低了實(shí)驗(yàn)室用電的損耗。成都晨科軟件研發(fā)了一套商用的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)[5]，主要用于教學(xué)單位和教學(xué)機(jī)構(gòu)的排課管理和收費(fèi)管理等。

在國外，StarLIMS數(shù)年來一直致力于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測類實(shí)驗(yàn)室管理及解決方案的研發(fā)，在歐洲、北美已經(jīng)占據(jù)了很大的市場份額[6]。

綜上可知，實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的建設(shè)已引起了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的高度關(guān)注。但是這些系統(tǒng)大多都是針對生化類實(shí)驗(yàn)室的管理監(jiān)測，綜合程度不高，功能較為單一，且價(jià)格昂貴[7]。因此，設(shè)計(jì)一種通用的、經(jīng)濟(jì)的、集成化程度較高的，用于實(shí)驗(yàn)室的日常管理和環(huán)境監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)這一概念，我國在1999年提出來的時(shí)候叫作傳感網(wǎng)。中科院早在1999年就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)的研究和開發(fā)。與其他國家相比，我國的技術(shù)研發(fā)水平處于世界前列，具有國際同發(fā)優(yōu)勢和重大影響力。2005年11月27日，在突尼斯舉行的信息社會(huì)峰會(huì)上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。簡言之，物聯(lián)網(wǎng)就是一種通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)物物相息的智能化識(shí)別和管理系統(tǒng)[8]。

與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)還具有其特有的3個(gè)特征[9]。

（1）物聯(lián)網(wǎng)中，在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面應(yīng)用不同類型的感知技術(shù)，例如使用多種無線傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集不同種類的信息。

（2）目前的“物聯(lián)網(wǎng)”，還是在已存的、傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上所建立起來的、遍布全球的、以實(shí)現(xiàn)物物相息的泛在聚合網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，在該種網(wǎng)絡(luò)上，物聯(lián)網(wǎng)各傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)主要是傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量極為海量，需要使用超大容量的存儲(chǔ)設(shè)備和存儲(chǔ)技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。此外，為了保障物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)對相應(yīng)感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，物聯(lián)網(wǎng)還必須具有良好的靈活性、伸縮性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)所處的各類異構(gòu)協(xié)議環(huán)境與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

（3）由于物聯(lián)網(wǎng)本身具有一定的智能協(xié)調(diào)能力，并提供了與多種類型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的的無線連接。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)可以自動(dòng)識(shí)別一切連接到全球網(wǎng)絡(luò)中的物品，并對其進(jìn)行智能控制。還可方便地利用云計(jì)算、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等已有的智能處理技術(shù)，對基于物聯(lián)網(wǎng)的海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工、處理和應(yīng)用。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

大體而言，物聯(lián)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)可劃分為三層[10]：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層就像是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的感覺器官，用于對物品進(jìn)行感知和識(shí)別。該層的主要功能是使用各種類型的感知器對感知區(qū)域中的物體進(jìn)行識(shí)別，以及對各類感知的識(shí)別與采集。

網(wǎng)絡(luò)層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，與人的神經(jīng)中樞和大腦的功能類似。該層主要是對海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與處理，主要功能為：數(shù)據(jù)傳輸、海量信息處理、海量信息存儲(chǔ)以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)管理等。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)處理與用戶需求進(jìn)行交互的部分。該層主要是對物聯(lián)網(wǎng)中各類物品進(jìn)行智能化管理與識(shí)別控制。通過這一層次，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與社會(huì)中各行業(yè)的深度融合，以及對相應(yīng)過程的智能化管理與控制。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

3.1 目標(biāo)及因素

實(shí)驗(yàn)室中儀器設(shè)備種類繁多，功能部件各不相同，對環(huán)境的要求也各不相同，甚至部分儀器設(shè)備對環(huán)境的要求非常嚴(yán)謹(jǐn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室的管理工作主要是對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理維護(hù)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的監(jiān)測與控制。此外，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開設(shè)受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，無法滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)后續(xù)的練習(xí)和總結(jié)，分批次重復(fù)實(shí)驗(yàn)又額外增加了任課教師的工作量。針對這一問題，如果整合優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法等資源，以文檔或者視頻的形式集中存儲(chǔ)在中控服務(wù)器上，學(xué)生可通過手持終端遠(yuǎn)程訪問，可方便進(jìn)行復(fù)習(xí)總結(jié)和自學(xué)思考，也可減輕實(shí)驗(yàn)教師的工作負(fù)擔(dān)。

3.1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，管理員可以通過PC機(jī)客戶端或手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室信息，實(shí)現(xiàn)對管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的有效管理。學(xué)生也可以通過終端學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器使用說明等教學(xué)資源。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)和實(shí)際建設(shè)需求，對系統(tǒng)進(jìn)行了層次結(jié)構(gòu)劃分。

感知層主要進(jìn)行信息的獲取，使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度、光照度、煙塵濃度等自然信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。可通過掃描設(shè)備，快速準(zhǔn)確地識(shí)別和獲取實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等信息。將采集的信息應(yīng)用無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)街锌卮鎯?chǔ)單元。

網(wǎng)絡(luò)層主要根據(jù)實(shí)際需要完成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)街锌貑卧?，需?gòu)建嵌入式系統(tǒng)來完成對感知層信息的中轉(zhuǎn)傳輸。

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)庫的建立和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，用于存儲(chǔ)感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，并對不同數(shù)據(jù)分別進(jìn)行加工處理，對不同的應(yīng)用端做出相應(yīng)的響應(yīng)。

3.1.2 考慮因素

感知層實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息對帶寬、速率和服務(wù)質(zhì)量（Quality of Services，QoS）[11]的要求不是太高。但是要求網(wǎng)絡(luò)整體成本低、傳輸精準(zhǔn)和實(shí)用性強(qiáng)。因此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下要素。

（1）低成本。感知層要實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的感知功能，需要用到大量的微型控制器和傳感器。而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)非常多，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置的感知器的總量就會(huì)很多，因此，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本會(huì)使系統(tǒng)的總體造價(jià)大幅度降低。

（2）高可靠性。系統(tǒng)需要對一些關(guān)鍵點(diǎn)處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如設(shè)備工作狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)室溫濕度、煙塵濃度等。要求實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，有異常數(shù)據(jù)要及時(shí)反饋給管理員。高可靠性也從側(cè)面反映了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

（3）易用性。操作簡單是系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的問題。系統(tǒng)應(yīng)從使用者的角度，為解決生產(chǎn)和生活中的實(shí)際問題而開展設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地做到界面友好，操作簡單。

（4）可擴(kuò)充性。由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究正處于一個(gè)不斷發(fā)展的研究階段，有很廣的發(fā)展前景，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮應(yīng)用的升級(jí)和二次開發(fā)。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次劃分，基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)可分為三層，每層的主要功能和子功能模塊見表1所列[12]。

應(yīng)用層 與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用 中心服務(wù)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）;

Web端和手持端應(yīng)用程序

本系統(tǒng)旨在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套能夠用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)等功能的綜合性管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息感知、實(shí)驗(yàn)設(shè)備存儲(chǔ)、無線傳輸、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、在線學(xué)習(xí)等功能。將物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)理念融合于系統(tǒng)中，進(jìn)行層次化和模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)各功能之間具有較高的內(nèi)聚性和低的耦合度。

3.3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參考物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合具體應(yīng)用空間，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)集成中控、感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交互應(yīng)用等功能。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)采集通過感知層功能實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)集成中控通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議來保證，感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互應(yīng)用通過應(yīng)用層功能來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的功能劃分如圖2所示。

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取模塊

數(shù)據(jù)獲取功能模塊主要用來獲取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的環(huán)境信息和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)信息，對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息錄入，最后將獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)较到y(tǒng)集成中控。數(shù)據(jù)采集過程如圖3所示。

室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集主要應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、光照、煙霧等數(shù)據(jù)信息。傳感器作為元器件，必須同微控制器結(jié)合使用，才能對環(huán)境數(shù)據(jù)信息[13]進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用ARM Cortex-M3作為微控制器，無線傳輸采用ZigBee模塊，結(jié)合傳感器完成對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的感知。微控制器的硬件部分由電源、信號(hào)放大電路、晶振和無線傳輸模塊轉(zhuǎn)接串口構(gòu)成。傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)放大器作用，傳輸?shù)轿⒖刂破?，再?jīng)過微控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后通過ZigBee發(fā)送到服務(wù)器，供應(yīng)用程序使用和處理。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息編碼按照一定的規(guī)則進(jìn)行，對設(shè)備所屬樓號(hào)、實(shí)驗(yàn)室號(hào)、設(shè)備類型和設(shè)備序號(hào)按順序進(jìn)行組合，形成統(tǒng)一格式的條形編碼。條形碼編碼具體規(guī)則見表2，借助條形碼生成工具可生成打印條碼。通過使用USB掃描槍掃描條形碼或者手動(dòng)輸入編碼信息來錄入或查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息。

3.3.2 集成中控部分

集成中控部分在整個(gè)系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸?shù)淖饔茫瓿蓴?shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)層功能的具體體現(xiàn)。感知器接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)之后，使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)中控端。考慮到系統(tǒng)以后的升級(jí)與功能擴(kuò)充，在集成中控的硬件結(jié)構(gòu)中預(yù)留了足夠的接口，供系統(tǒng)未來擴(kuò)展使用。存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

無線監(jiān)測模塊使用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將環(huán)境感知信息傳遞到中控單元，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展[14]。它基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠、高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。

集成中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分。嵌入式硬件部分選用集成開發(fā)板，主要包括核心處理器以及其外圍電路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選擇ARMV5TE 體系結(jié)構(gòu)的ARM9作為系統(tǒng)的核心處理器。嵌入式軟件設(shè)計(jì)中需要構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)，基于該操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，主要是基于Linux系統(tǒng)并搭建交叉編譯環(huán)境arm-linux-gcc。在該環(huán)境下對輸入的環(huán)境信息進(jìn)行處理，輸出數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3.3.3 存儲(chǔ)應(yīng)用部分

存儲(chǔ)應(yīng)用部分要完成兩方面的工作，即：解析中控單元傳輸過來的數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫;錄入實(shí)驗(yàn)課程所需的各類教學(xué)資源并供訪問者訪問。系統(tǒng)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)，要為各監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，當(dāng)某一數(shù)值超過閾值，就要產(chǎn)生報(bào)警信息，給管理員提示。同時(shí)，還要設(shè)定用戶分類信息，分別為不同用戶設(shè)置不同操作訪問權(quán)限。

應(yīng)用部分實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互，按照不同的應(yīng)用需要，將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)資源分別呈現(xiàn)給不同用戶。應(yīng)用功能包括手機(jī)端應(yīng)用和PC端應(yīng)用，可供用戶通過終端實(shí)時(shí)查看信息。應(yīng)用部分主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等功能。如圖5所示為系統(tǒng)應(yīng)用部分的功能框圖。

Web端應(yīng)用程序和手機(jī)端應(yīng)用程序均包含環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、學(xué)習(xí)資源、在線課堂四個(gè)功能應(yīng)用。環(huán)境監(jiān)測主要是向管理員顯示監(jiān)測到的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息;設(shè)備管理可方便管理員和教師查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息;學(xué)習(xí)資源向老師和學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)文檔和視頻等教學(xué)資源;在線課堂供老師和學(xué)生交流探討實(shí)驗(yàn)相關(guān)技術(shù)、心得體會(huì)以及提問。

4 結(jié) 語

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，使得實(shí)驗(yàn)室的管理能夠?qū)h(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合于一體。管理員、教師和學(xué)生都可以通過無線和有線方式隨時(shí)隨地地查看實(shí)驗(yàn)室情況和學(xué)習(xí)資源，極大地方便了管理員對實(shí)驗(yàn)室的管控，也增添了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和靈活性。經(jīng)測試，系統(tǒng)傳輸速度快、準(zhǔn)確度高，能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的各種需求，極大地提高了實(shí)驗(yàn)室管理的效率，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐能力和思維能力。

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