基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室信息管理系統(tǒng)

劉國梅

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引 言

實驗室是高校進行實驗教學(xué)、科學(xué)研究、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要場所，伴隨著實驗室規(guī)模的擴大以及開放性實驗室的增多，實驗室的日常管理工作日益繁重，對實驗室的安全提出了更高的要求[1]。針對這些問題設(shè)計并實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室信息管理系統(tǒng)，方便管理人員通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實時查看實驗室設(shè)備信息、環(huán)境信息等，并通過實驗室攝像頭進行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實驗室燈光、空調(diào)、電源等的開關(guān)[2]。學(xué)生、教師等可借助系統(tǒng)實現(xiàn)實驗設(shè)備的自助借還，提高設(shè)備管理效率，有效防止借還記錄出現(xiàn)錯誤。本系統(tǒng)能夠減少實驗室管理人員的工作量，提升實驗室的安全性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為感知模塊、執(zhí)行模塊、核心板服務(wù)器以及客戶端，如圖1所示。感知模塊、執(zhí)行模塊、核心板服務(wù)器間通過ZigBee實現(xiàn)無線通信，核心板服務(wù)器通過以太網(wǎng)、WiFi等接入局域網(wǎng)或Internet，實現(xiàn)實驗室的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

圖1 系統(tǒng)框架

通過在實驗室布置多個無線感知模塊，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的實時監(jiān)測、實驗設(shè)備的自助借還，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況還可自動報警，保證實驗室的安全。管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄實驗室核心板服務(wù)器查看實驗室的環(huán)境參數(shù)及視頻監(jiān)控，也可以通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)嶒炇业膱?zhí)行單元發(fā)送命令，遠(yuǎn)程控制實驗室的電源、門窗等相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)。

1.2 模塊設(shè)計

1.2.1 感知模塊

感知模塊的組成如圖2所示。感知模塊MCU采用低功耗微處理器ARM Cortex-M3，感知模塊集成了多種傳感器，主要包括溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、紅外熱釋電傳感器、門磁傳感器等[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗室溫度、濕度、火焰、煙霧、可燃?xì)怏w、入侵者、門窗狀態(tài)、電源開關(guān)狀態(tài)、空調(diào)/電風(fēng)扇開關(guān)狀態(tài)等的感知。另外，感知模塊上還集成有RFID模塊、ZigBee模塊等，可利用RFID模塊實現(xiàn)對實驗設(shè)備借還記錄的管理，利用ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送到上層核心板服務(wù)器。

圖2 感知模塊的組成

1.2.2 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元MCU采用低功耗微處理器ARM Cortex-M3，執(zhí)行模塊集成有ZigBee模塊、繼電器、步進電機、舵機等[4]，利用ZigBee模塊可以接收來自上層核心板服務(wù)器傳送的控制命令，解析命令之后，通過繼電器、步進電機、舵機等控制電源、燈、空調(diào)、電風(fēng)扇、窗簾、門等的開關(guān)。執(zhí)行單元設(shè)備控制如圖3所示。

圖3 執(zhí)行單元設(shè)備控制

1.2.3 核心板服務(wù)器

核心板服務(wù)器作為平臺核心所在，需要進行數(shù)據(jù)的接收、分析與處理，還需要作為Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器，因此核心板服務(wù)器采用性能較高的ARM Cortex-A9微處理器，其上集成有ZigBee模塊、SD卡存儲器、觸摸屏模塊、攝像頭、網(wǎng)口、GPRS模塊、WiFi模塊、蜂鳴器、LED燈等，如圖4所示。

圖4 核心板服務(wù)器模塊組成

核心板帶有觸摸屏，管理員可通過觸摸屏實時查看和修改各項參數(shù)，控制實驗室相關(guān)設(shè)備；通過核心板上的攝像頭可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；通過SD卡存儲器可將采集的數(shù)據(jù)暫存在核心板服務(wù)器上；通過ZigBee模塊可實現(xiàn)核心板服務(wù)器與感知模塊、執(zhí)行單元的無線通信；通過GPRS模塊可實現(xiàn)向用戶發(fā)短信報警等功能，如溫度、火焰、可燃?xì)怏w等數(shù)值超出正常范圍時，會向管理員發(fā)送報警短信。當(dāng)感知模塊處于布防狀態(tài)時，若有人闖入實驗室，也會向管理員發(fā)報警短信，并啟動LED燈、蜂鳴器等實現(xiàn)本地聲光報警；通過WiFi、Ethernet模塊可接入Internet，管理員可遠(yuǎn)程監(jiān)控實驗室[5]。

1.2.4 客戶端

用戶可通過感知模塊上的RFID自助借還實驗設(shè)備。管理員可通過核心板服務(wù)器上的觸摸屏查看、操控實驗室設(shè)備，也可遠(yuǎn)程登錄核心板服務(wù)器查看實驗室參數(shù)并控制相關(guān)設(shè)備。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)包括感知模塊、執(zhí)行單元等終端的軟件開發(fā)以及核心板服務(wù)器的軟件開發(fā)。

2.1 終端模塊軟件開發(fā)

終端軟件由C語言開發(fā)。系統(tǒng)上電后初始化終端設(shè)備，如系統(tǒng)定時器、SPI等，配置系統(tǒng)滴答定時器、中斷處理函數(shù)等。感知模塊軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電初始化終端各設(shè)備后，主程序進行輪詢循環(huán)，采集環(huán)境數(shù)據(jù)、檢測有無刷卡，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給核心板服務(wù)器。當(dāng)外部RFID刷卡且其他數(shù)據(jù)采集正常時，RFID中斷函數(shù)同時對RFID卡進行數(shù)據(jù)采集、校驗數(shù)據(jù)有效性等操作，并發(fā)送給核心板服務(wù)器。

圖5 感知模塊軟件流程

實驗室設(shè)備自助借還流程如圖6所示[6]。為每臺設(shè)備貼一個RFID標(biāo)簽，將實驗設(shè)備信息錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，借出時，用戶利用一卡通認(rèn)證成功后，掃描設(shè)備上的RFID標(biāo)簽即可記錄借用信息，設(shè)備歸還后將自動清除借用記錄。借還全程無需人工記錄，不僅省時省力，還能最大限度避免出現(xiàn)記錄錯誤。

圖6 實驗設(shè)備的自助借還流程

執(zhí)行單元軟件在系統(tǒng)上電初始化M3終端各設(shè)備之后，主程序進行輪詢循環(huán)，查看是否有ZigBee接收數(shù)據(jù)中斷產(chǎn)生，當(dāng)有外部中斷時，ZigBee接收核心板服務(wù)器發(fā)送的指令，然后解析數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的命令，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 核心板服務(wù)器軟件開發(fā)

核心板服務(wù)器的功能較多，需要處理的任務(wù)較多，所以核心板服務(wù)器的軟件開發(fā)相對復(fù)雜，主要包括以下幾方面：

（1）嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植。核心板服務(wù)器選擇源代碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

（2）BOA服務(wù)器的移植。管理員可以通過瀏覽器登錄系統(tǒng)，查看實驗室環(huán)境信息并控制相關(guān)設(shè)備，所以需要在系統(tǒng)中架設(shè)Web服務(wù)器。BOA是一種非常小巧的Web服務(wù)器，且支持CGI，因此是本系統(tǒng)的不二之選[7]。

（3）視頻服務(wù)器的移植。實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控需要視頻服務(wù)器，于是選擇mjpg-streamer開源軟件完成JPEG庫及mjpg-streamer的移植[8]。

（4）數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)。系統(tǒng)采用SQLite3數(shù)據(jù)庫[9]。

（5）Qt模塊的實現(xiàn)。核心板服務(wù)器帶有觸摸屏，采用Qt實現(xiàn)用戶界面，移植qt-everywhere。

（6）網(wǎng)頁編寫及CGI程序的實現(xiàn)。網(wǎng)頁編寫采用Dreamweaver，CGI程序使用C語言編寫，CGI程序提供客戶端HTML頁面接口，把網(wǎng)頁和Web服務(wù)器中的執(zhí)行程序連接起來。通過CGI程序?qū)⒌讓硬杉沫h(huán)境參數(shù)顯示在網(wǎng)頁上，同時通過點擊網(wǎng)頁上的按鈕來遠(yuǎn)程控制實驗室相應(yīng)設(shè)備[10]。

（7）多線程應(yīng)用程序的編寫?；谇度胧絃inux操作系統(tǒng)進行多線程應(yīng)用程序的編寫[11]。由接收請求線程負(fù)責(zé)接收環(huán)境參數(shù)或其他請求，激活數(shù)據(jù)庫線程對數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)處理。如果是環(huán)境參數(shù)，則對環(huán)境參數(shù)進行判斷、處理，另外也可以向執(zhí)行單元發(fā)出控制命令。

完成嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯與主應(yīng)用程序的開發(fā)、編譯，并制作成根文件系統(tǒng)鏡像文件，將它們燒寫到核心板服務(wù)器，完成核心板服務(wù)器軟件的開發(fā)。

3 結(jié) 語

針對實驗室管理的需要，設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)借助傳感器、攝像頭、ZigBee實現(xiàn)對實驗室的全面監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到異常時，系統(tǒng)自動通過實驗室的燈光、蜂鳴器報警，并向管理員發(fā)送短信；通過核心板的Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器，管理者也可登錄核心板服務(wù)器查看實驗室情況，遠(yuǎn)程控制實驗室相應(yīng)設(shè)備。系統(tǒng)采用RFID技術(shù)實現(xiàn)了對實驗設(shè)備、用戶的管理以及實驗設(shè)備的自助借還功能，提高了實驗室管理的信息化水平與管理效率。