基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

蔣林華，柯育華

（華僑大學(xué) 工商管理學(xué)院，福建 泉州 362021）

1 引言

隨著高校物流實驗室建設(shè)越來越全面高端，實驗室的防火防盜等安全管理已經(jīng)成為日益重要的問題。如何利用高新技術(shù)快速有效地發(fā)現(xiàn)實驗室安全存在的隱患并提高管理水平已經(jīng)成為高校實驗室管理者的主要任務(wù)。高校實驗室安全面臨的事故主要有火災(zāi)、水患、爆炸以及儀器設(shè)備丟失等問題，然而物流實驗室使用頻繁、人員流動大、位置分布廣，利用人工實時監(jiān)測管理這些實驗室存在的安全隱患容易造成管理不便或管理不到位，也需要更多的人力和物力，監(jiān)管這些實驗室和設(shè)備儀器單靠傳統(tǒng)的管理人員現(xiàn)場監(jiān)管方式顯然是不行的，儀器設(shè)備使用人員的疏忽大意或不按儀器使用流程操作都有可能導(dǎo)致實驗事故[1]。

大多數(shù)高校物流實驗室儀器設(shè)備都實現(xiàn)了共享，無論是校內(nèi)學(xué)生和教師還是校外研究人員都可以申請使用這些設(shè)備，使用頻繁、人員復(fù)雜、流動性大是共享實驗室的主要特點。但傳統(tǒng)的實驗室儀器環(huán)境安全監(jiān)測基本上采用人工定時查看的方式進行管理，這種管理模式無法高效快速的將所有的物流實驗室環(huán)境變化直觀地顯示出來，同時也不利于動態(tài)記錄物流實驗安全信息，存在很大的安全隱患。因此，建立以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧物流實驗室來監(jiān)測環(huán)境安全變化消除安全隱患就顯得尤為重要[2]，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，利用物聯(lián)網(wǎng)裝置、傳感器、視頻探頭、物聯(lián)網(wǎng)移動平臺APP及云端系統(tǒng)構(gòu)建一個智慧物流實驗室安全智能化監(jiān)測系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的信息來源是由各種各樣的不同類型的智能感測設(shè)備所提供，如視頻監(jiān)控、物品定位、各種類型的感測器（可偵測濕度、溫度、位置、煙霧、氧氣濃度等），這些設(shè)備通常主要的工作是進行信息收集，因此在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中依靠不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，各種物與物、物與人相連接所組成的物聯(lián)網(wǎng)形成一個以ZigBee技術(shù)和通用分組無線服務(wù)（GPRS）技術(shù)廣泛應(yīng)用的信息管理網(wǎng)絡(luò)[3]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流實驗安全系統(tǒng)整體設(shè)計

物流實驗室安全智能化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基本組成設(shè)計如圖1所示，該系統(tǒng)大致由感知層、通訊傳輸層、控制層、管理應(yīng)用層四個部分組成。其中，感知層主要由各種定位追蹤器和監(jiān)控器構(gòu)成，實驗室可安裝的傳感器種類比較多，常用的傳感器主要包括溫度傳感器、門禁傳感器等控制設(shè)備，它是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層獲取各種實驗室環(huán)境安全信息最關(guān)鍵的設(shè)備，負(fù)責(zé)實驗室安全數(shù)據(jù)的采集和上傳，在室內(nèi)主要針對實驗安全門禁監(jiān)控、水電監(jiān)控以及貴重儀器設(shè)備的定位追蹤等容易導(dǎo)致安全事故和儀器設(shè)備丟失傳感器設(shè)備；通訊傳輸層主要包括物聯(lián)網(wǎng)信息分析處理和物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，通過CoAP協(xié)議可以自物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備開啟電源時就自動連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，無須人工操作，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議CoAP Server能讓物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)獲取監(jiān)控器或傳感器感知的信息，CoAP服務(wù)器端則將所獲得信息以某種通用的數(shù)據(jù)模板方式呈現(xiàn)出來，供移動終端設(shè)備和云端讀取信息，利用MQTT協(xié)議以發(fā)布-訂閱的信息傳送模式，來提供多對多的信息分配；控制層用來接收收集到的感測信息，同時協(xié)助多臺感測器之間的信息傳輸與溝通；管理應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)信息顯示、接收、存儲和移動智能設(shè)備接收顯示，獲得授權(quán)的移動終端查看信息必須通過APP程序或云端平臺，通過移動終端APP或顯示大屏智能化遠(yuǎn)程控制室內(nèi)傳感器的運行與停止。

2.1 物流實驗室防火災(zāi)控制模塊設(shè)計

圖1 物流實驗室安全管理系統(tǒng)原理框圖

物流實驗室需要用電的設(shè)備數(shù)量多，室內(nèi)溫度過高會引起火災(zāi)或爆炸事故，同時貴重精密儀器對實驗室內(nèi)部溫度要求嚴(yán)格，需要安裝溫度傳感器和監(jiān)測器來監(jiān)控溫度變化，以防止物流實驗室安全事故的發(fā)生[3]。總之，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以掌握節(jié)省人力資源增加管理人員操作安全，經(jīng)過遠(yuǎn)程主控終端就可以物流實驗室內(nèi)部溫度的變化情況，當(dāng)溫度高于某個設(shè)定的范圍時，就會發(fā)出警告信息并回傳自動化控制[4]。物流實驗室內(nèi)部溫度監(jiān)控模塊包括AD590溫度感應(yīng)器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單晶片微處理器AT89S51、ZigBee無線射頻模塊、MQTT云端服務(wù)平臺等模塊，整個溫度監(jiān)控模塊設(shè)計如下：通過AD590溫度感應(yīng)器獲取溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)絾尉⑻幚砥麟娐啡?、分析、存儲再通過ZigBee無線射頻和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊將信息發(fā)送到遠(yuǎn)端的主控電腦或移動智能終端接收、存儲、判斷并將反饋信息回傳至遠(yuǎn)端傳感器，當(dāng)遠(yuǎn)端傳感器接收到警告時，便會啟動報警系統(tǒng)（亮燈或鈴聲），告知實驗管理人員進行緊急處理或自動控制溫控系統(tǒng)[5]。

溫度檢測模塊采用9V特種電源轉(zhuǎn)化正負(fù)4.5V的電壓電源，此正負(fù)4.5V是供給溫度感測器電路；同時經(jīng)過穩(wěn)壓器供給A/D轉(zhuǎn)換電路及單晶片收取電路。使用AD590溫度感應(yīng)器，當(dāng)電壓為4-30V時，其電流會隨著溫度變化大小形成線性改變，AD590溫度感應(yīng)器對溫度T的電流關(guān)系式如下：

I為其輸出電流，單位為μA；t為攝氏溫度；A為攝氏零度時的電流值，該值恰好與冰點的熱力學(xué)溫度173K相對應(yīng)。B為傳感器的靈敏度（一般AD590的B=1μA/℃）。實驗室溫度控制的電源設(shè)計如圖2所示。

當(dāng)物流實驗室內(nèi)部溫度超過28℃觸感器就會自動發(fā)送紅色的數(shù)據(jù)信息到物聯(lián)網(wǎng)上，實驗室管理人員智能手機或平板上的物聯(lián)網(wǎng)APP處于開機狀態(tài)都可以收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的警報信息，實驗室管理人員可以在手機/平板APP與云端介面進行監(jiān)控，如啟動空調(diào)或排氣扇設(shè)備。

圖2 物流實驗室內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)的電源設(shè)計圖

2.2 物流實驗室防盜智能門禁監(jiān)控設(shè)計

物流實驗室貴重儀器防盜管理也是安全管理的重要組成部分，可以將門禁管理、人臉識別、視頻監(jiān)控及GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互結(jié)合，建立一個智慧型遠(yuǎn)程物流實驗室安全管理系統(tǒng)。智能門禁管理系統(tǒng)能全天候記錄實驗室人員進出時間，能自動識別人員進入的合法性，有效地保護了實驗室的儀器設(shè)備安全。物流實驗室智能門禁監(jiān)控模塊包括攝影相機、單晶片微控制器、MQTT云端服務(wù)平臺等模塊，整個門禁監(jiān)控設(shè)計如下：利用相機撲捉訪客的面部特征，經(jīng)過單晶片微處理取樣、分析、存儲并與資料庫中的影像做比對，以判斷是否允許進入。實驗室內(nèi)安裝無線磁力門傳感器、紅外線發(fā)射器防止非法入侵者進入，只要觸發(fā)任何一個設(shè)施的觸感器，管理人員的智能手機或平板上都能收到警報提示，并通過監(jiān)控獲得實驗室現(xiàn)場照片和視頻[6]。物聯(lián)網(wǎng)門禁監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)24小時實驗室遠(yuǎn)程安全監(jiān)測，彌補了實驗室內(nèi)無人值守時的安全空白。實驗室智能門禁監(jiān)控流程如圖3所示。

圖3 智能門禁人臉識別流程

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流實驗室遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計

智能化遠(yuǎn)程控制管理模式需要感測設(shè)備和門禁系統(tǒng)將采集到的信息傳輸?shù)轿⑻幚碇鳈C，并將處理后的信息利用GPRS傳輸?shù)皆贫讼到y(tǒng)，以便移動智能設(shè)備通過APP能隨時接受、查看、控制感測設(shè)備。遠(yuǎn)程瀏覽訪問端主要通過校園無線網(wǎng)絡(luò)直接查看實驗室環(huán)境信息，移動終端查看信息必須通過APP程序或電子終端平臺連接到云平臺系統(tǒng)，自動連接機制可以自動的連到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由CoAP客戶端控制網(wǎng)關(guān)上的物聯(lián)網(wǎng)終端獲取數(shù)據(jù)，也可以通過物聯(lián)網(wǎng)云端平臺控制物聯(lián)網(wǎng)終端，云端平臺與智能手機或平板電腦不同的是，云端可以一次顯示多臺網(wǎng)關(guān)上的物聯(lián)網(wǎng)終端的信息，智能手機或平板只能顯示一臺網(wǎng)關(guān)上的物聯(lián)網(wǎng)終端信息。不同設(shè)備采用的通訊協(xié)議是不同的，網(wǎng)絡(luò)上連接的各種傳感器收集并過濾感測信息通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議上傳至云端信息庫，以便建立物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、處理器與終端設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，因此需要導(dǎo)入開放式通訊協(xié)議MQTT（MQ Telemetry Transport）作為物聯(lián)網(wǎng)的通訊協(xié)議，建立主控界面與傳感器之間的訂閱/發(fā)布模式，解決不同傳感器通訊傳輸問題，并達(dá)到信息傳輸輕量化、快速化目標(biāo)[7]。MQTT是為了物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它通過發(fā)布-訂閱的方式來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制信息傳送。發(fā)布-訂閱方式有三種身份：發(fā)布者（Publisher）、訂閱者（Subscriber）以及主題（Topic），發(fā)布者作為信息的來源，會將信息發(fā)送給中介端的主題，而訂閱者向中介端注冊關(guān)注的主題，表示想要接收此主題的信息[8]。因此當(dāng)有某個發(fā)布者對主題發(fā)送信息時，只要是有此主題注冊的訂閱者，都會收到此則信息。MQTT協(xié)議通訊模型如圖4所示。

圖4 MQTT協(xié)議通訊模型

基于MQTT通訊協(xié)議的遠(yuǎn)程控制設(shè)計如下：安裝在移動智能終端設(shè)備的MQTT云端服務(wù)應(yīng)用程序（APP）可發(fā)布感測器控制的MQTT信息到云端平臺，就能由訂閱MQTT信息的遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)執(zhí)行實驗室內(nèi)各項感測設(shè)備和門禁設(shè)備的遠(yuǎn)端命令功能[9]。遠(yuǎn)程控制基于MQTT通訊協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)說明如下：

（1）傳感器與網(wǎng)關(guān)的自動連線。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)中，需要網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備越來越多，這時會面臨網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的問題。如果每天設(shè)備使用手動連接設(shè)定，那需要花費大量的人力和時間。所以建立一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室安全控制系統(tǒng)必須采用自動連線設(shè)計，才能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端、移動智能終端與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的自動連接，只要智能手機或平板電腦打開智能控制APP，就能自動連到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

（2）信息源編碼傳輸協(xié)議選擇。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，能連接網(wǎng)絡(luò)的儀器設(shè)備也越來越多，但不同品牌的連接器編碼功能也不相同，這就造成了物與物連接的障礙。因此，本文選擇國際IPSO通行標(biāo)準(zhǔn)，來完成物聯(lián)網(wǎng)平臺中各種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的通融性[10]。IPSO通訊標(biāo)準(zhǔn)旨在推動IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于連接傳感器節(jié)點或其他智能設(shè)備以便信息的傳輸。

（3）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與終端、移動設(shè)備與云端的信息傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，有它的局限性，如：低功耗、運算頻率較低、主內(nèi)存少等，當(dāng)軟件在這樣受局限的硬件上運行，一般網(wǎng)絡(luò)所用的HTTP有“封包太多”及“封包太大”的問題，不但會消耗硬件資源，同時也考驗硬件的運算能力[11]。因此需要一個比HTTP更適合的應(yīng)用層協(xié)議來做物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。本文的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺采用CoAP作為信息傳輸?shù)膮f(xié)議。相對于TCP和應(yīng)用層HTTP協(xié)議，CoAP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，它運行于UDP協(xié)議之上，效率更高，所用的網(wǎng)絡(luò)資源更少。

（4）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與云端之間的溝通、注冊。在新的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)加入時，云端是無法知道有新的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)加入，因此這需要一套機制來告訴云端來做注冊的事情。本文采用MQTT信息傳輸技術(shù)來實現(xiàn)注冊的功能[12]。MQTT是為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過發(fā)布-訂閱的方式來進行信息傳輸，因此當(dāng)訂閱者訂閱某一個主題后都會收到此則信息。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運行

本系統(tǒng)依照上述規(guī)劃設(shè)計運行流程包括：自動讀取傳感器或門禁系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，為感測資料發(fā)布功能、警示通知功能并上傳到資料庫存儲，執(zhí)行程序根據(jù)感測資料建立MQTT通訊傳輸、通過智能手機或平板電腦APP控制物聯(lián)網(wǎng)傳感器端運行。物聯(lián)網(wǎng)安全管理智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控執(zhí)行流程如下：

（1）系統(tǒng)建立通訊流程。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)首先啟動CoAP Server程序，再啟動自動連線程序。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)終端啟動時，物聯(lián)網(wǎng)終端的自動連線程序會自動連到網(wǎng)關(guān)，連線完成后物聯(lián)網(wǎng)終端將自己CoAP Server的數(shù)據(jù)通過Post命令傳遞給網(wǎng)關(guān)上的CoAP Server，這時網(wǎng)關(guān)會開始建立物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)終端的CoAP Server信息會通過網(wǎng)關(guān)的CoAP Client連接，只要對網(wǎng)關(guān)下指令就可以控制物聯(lián)網(wǎng)終端。建立完成后網(wǎng)關(guān)會對物聯(lián)網(wǎng)終端的信息下observer的指令，這時物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)信息改變時就會反饋給網(wǎng)關(guān)[14]。

（2）APP控制終端通訊流程。智能手機或平板電腦等移動終端上啟動APP時會自動連線到網(wǎng)關(guān)，手機或平板會先將自己的信息上傳到網(wǎng)關(guān)上的Co-AP Server。網(wǎng)關(guān)收到手機或平板的信息后，會通過網(wǎng)關(guān)的CoAP Client，將網(wǎng)關(guān)上所有CoAP Server的信息Post到手機或平板。當(dāng)要控制物聯(lián)網(wǎng)終端時，手機通過APP對相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)下達(dá)observer的指令，APP會將指令傳到網(wǎng)關(guān)上CoAP Server，網(wǎng)關(guān)就會自動把指令傳給對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。

（3）云端注冊流程。云端系統(tǒng)首先建立一個MQTT Broker，接著建立一個注冊的主題，讓云端的MQTT client進行訂閱注冊用的主題。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連上網(wǎng)絡(luò)后，會將自己的IP/MAC傳送到注冊用的Topic[15]。這時云端的MQTT就會收到網(wǎng)關(guān)的IP/MAC，通知云端介面。云端介面收到信息后就會將注冊的網(wǎng)關(guān)記錄下來，讓使用者選擇要控制的網(wǎng)關(guān)。

（4）云端控制終端流程。通過云端控制物聯(lián)網(wǎng)終端流程與通過手機/平板控制物聯(lián)網(wǎng)終端流程一樣的，主要不同的地方就是云端介面會讓使用者可以選擇要監(jiān)控的網(wǎng)關(guān)，獲取信息數(shù)據(jù)與控制的流程是一樣的流程。

5 結(jié)語

高校實驗室安全管理一直是學(xué)校管理的重點，已經(jīng)出現(xiàn)的實驗室安全事故導(dǎo)致了大量的人員和財產(chǎn)損失，傳統(tǒng)的實驗室環(huán)境安全監(jiān)測是被動的，事后式的管理模式。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，利用物聯(lián)網(wǎng)連接實驗室的各種監(jiān)測觸感器可以輕松進行環(huán)境監(jiān)測和智能監(jiān)測，將各種設(shè)備連接成一個網(wǎng)絡(luò)，從而進行智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理模式，為高校實驗室安全管理提供了一個有益的、可靠地管理模式，提升管理效率，能有效地防止實驗室災(zāi)難事故和儀器設(shè)備失竊等現(xiàn)象。同時該系統(tǒng)具有較高的可擴展性，針對不同性質(zhì)的實驗室，可以自由的添加有需要的傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)上，以滿足實驗室安全管理需要。