基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施新起

（國家廣電總局六五四臺(tái)，新疆呼圖壁，831200）

0 前言

溫度遠(yuǎn)程專項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)，對于實(shí)驗(yàn)室來說屬于較為重要的部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果高低與否，對實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)工作影響較大，而物聯(lián)網(wǎng)則可起到良好的輔助作用。因而，綜合分析物聯(lián)網(wǎng)之下實(shí)驗(yàn)室的溫度遠(yuǎn)程專項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐設(shè)計(jì)，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)框架

為確保物聯(lián)網(wǎng)之下實(shí)驗(yàn)室的溫度遠(yuǎn)程專項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能得以有效實(shí)現(xiàn)，此次以開源樹莓派基礎(chǔ)套件集可靠性系統(tǒng)程序語言為基礎(chǔ)所構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)在。該系統(tǒng)是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)組織的軟硬件，內(nèi)含感知模塊、中間傳輸模塊、應(yīng)用模塊等。結(jié)合系統(tǒng)要求及架構(gòu)分析，后臺(tái)處理系統(tǒng)程序借助 Python 實(shí)施編輯操作，接收轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)傳感裝置信息數(shù)據(jù)，釘釘版本機(jī)器人裝置報(bào)警系統(tǒng)對接API，實(shí)施對蜂鳴裝置和風(fēng)扇燈應(yīng)急控制[1]。數(shù)據(jù)信息庫內(nèi)選定開源Maria DB，其語法相通于My SQL，支持PHP 和 Python語言語法。以PHP7 為基礎(chǔ)編寫Web 端系統(tǒng)程序，確保系統(tǒng)網(wǎng)頁上面可展示出該部分?jǐn)?shù)據(jù)信息庫。內(nèi)網(wǎng)穿透需經(jīng)海貝銳企業(yè)所提供花生殼Oray 提供動(dòng)態(tài)化名解析系統(tǒng)服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，把局域網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中服務(wù)裝置映射至我互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，遠(yuǎn)程訪問即可實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)內(nèi)部，溫度傳感裝置把所采集數(shù)字化信號(hào)經(jīng)1-wire 的總線及時(shí)傳輸?shù)娇傁到y(tǒng)內(nèi)部，Python 編寫后臺(tái)系統(tǒng)處理程序?qū)嵅倨陂g，需拆解好數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)信息需轉(zhuǎn)換且存入至數(shù)據(jù)信息庫內(nèi)，判斷數(shù)據(jù)參數(shù)值為過小或過大，監(jiān)測到了異常參數(shù)值后，系統(tǒng)后臺(tái)程序和釘釘版本機(jī)器人會(huì)及時(shí)實(shí)施對接報(bào)警操作，驅(qū)動(dòng)蜂鳴裝置及風(fēng)扇高效運(yùn)行。Web 端的PHP 編寫程序?qū)嵤?shù)據(jù)庫內(nèi)信息數(shù)據(jù)讀取，在網(wǎng)頁上面實(shí)時(shí)顯示最新數(shù)據(jù)，如圖1 為流程示意圖。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖

2 設(shè)計(jì)實(shí)踐

■2.1 在硬件層面

以樹莓派為系統(tǒng)主要控制和運(yùn)算服務(wù)裝置，感知裝置是DS18B20 型號(hào)數(shù)字溫度的傳感裝置，把源蜂裝置當(dāng)成本地的報(bào)警裝置，因考慮到裝置需長期穩(wěn)定運(yùn)行，故裝置需配置UPS 電源起到輔助運(yùn)行作用，防止斷電情況之下裝置難以對異?，F(xiàn)象予以準(zhǔn)確記錄和警報(bào)，因裝置部署環(huán)境之下可能無網(wǎng)線相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，故樹莓派和外部聯(lián)絡(luò)方式可借助Wi-Fi、有線網(wǎng)絡(luò)等手段，應(yīng)對環(huán)境所造成不便情況，詳見圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)情況。

圖2 硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)情況

（1）在樹莓派層面

在一定程度上，樹莓派屬于以ARM 為基礎(chǔ)架構(gòu)電腦版，美國的樹莓派專項(xiàng)基金會(huì)所研制，大小類似于撲克牌，具備單片裝置或者電腦各項(xiàng)功能，能夠搭載win10 的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)版本、Linux 主流發(fā)行的版本，因價(jià)格相對低廉，由于較高可擴(kuò)展性[2]。此次以4B 型號(hào)樹莓派開發(fā)板，設(shè) Linux 系統(tǒng)當(dāng)中Debian 所發(fā)行的版本，內(nèi)含 GPIO 型號(hào)1-wire 系統(tǒng)接口，5V 型號(hào)GND 及VCC 接口。

（2）在數(shù)字溫度的傳感裝置層面

因樹莓派無模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，故無法直接接收該模擬信號(hào)，因溫度遠(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)選定DS18B20 型號(hào)數(shù)字溫度的傳感裝置為主要的感知裝置。DS18B20 為數(shù)字溫度的傳感裝置常用類型，內(nèi)含引腳三個(gè)、寄存裝置、計(jì)數(shù)裝置、晶振等。溫度測定范圍是-55℃至±125℃，±0.5℃精度。溫度改變后，晶振會(huì)有脈沖變化產(chǎn)生，并傳遞至計(jì)數(shù)裝置當(dāng)中，計(jì)數(shù)裝置靜加減運(yùn)輸分析，把數(shù)值傳至寄存裝置，寄存裝置上面所顯示數(shù)值為當(dāng)前實(shí)際溫度[3]。

（3）在總線層面

在一定程度上，1-wire 總線屬于雙工異步半串行傳輸手段，僅需一條信號(hào)便能夠傳輸數(shù)據(jù)信息。1-wire 總線實(shí)際傳輸期間，信號(hào)線可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，還屬于連接至1-wire 總線設(shè)備電源主要來源。所有1-wire 總線均獨(dú)立設(shè)置64 位的標(biāo)識(shí)碼，方便對連接設(shè)備實(shí)施有效辨識(shí)，故可搭載裝置相對較多。

■2.2 在軟件層面

以Linux 樹莓派為基礎(chǔ)，維持系統(tǒng)軟件正常運(yùn)行狀態(tài)，以Python3-7 實(shí)施編寫操作，Maria DB 的數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。因考慮到系統(tǒng)硬件自身運(yùn)算性能，所有傳感裝置均設(shè)單獨(dú)進(jìn)程，下列為詳細(xì)的流程：系統(tǒng)程序讀取到傳感裝置相關(guān)信息數(shù)據(jù)后，逐步返回?cái)?shù)據(jù)信息目錄之下數(shù)據(jù)包，借助數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換解包，把數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一種以攝氏度為基本單位的參數(shù)值，把所采集到我的溫度計(jì)時(shí)間數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)信息庫內(nèi)。程序循環(huán)運(yùn)行，對比設(shè)定閾值，以便于判斷溫度是否異常，是否需要激活報(bào)警功能模塊，并驅(qū)動(dòng)著風(fēng)扇維持良好運(yùn)行狀態(tài)。

（1）在讀取數(shù)據(jù)層面

因系統(tǒng)需讀取該傳感裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，故需經(jīng)import os 庫當(dāng)中 os system 函數(shù)的模擬終端裝置運(yùn)行mod probe系統(tǒng)指令激活接口，找到該傳感裝置返回信息數(shù)據(jù)文件，完成數(shù)據(jù)文件讀取后，依照著utf-8系統(tǒng)格式返回，開啟新進(jìn)程，便于獲取前兩行數(shù)據(jù)信息，予以包裝好，實(shí)施是被信息數(shù)據(jù)檢測，重試至首行末尾處YES，經(jīng)運(yùn)算后，把數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成攝氏度返回。如圖3 所示。

圖3 溫度讀取流程

（2）在數(shù)據(jù)庫層面

此次設(shè)計(jì)當(dāng)中，數(shù)據(jù)信息庫可存放后臺(tái)系統(tǒng)程序所獲取信息數(shù)據(jù)及前臺(tái)系統(tǒng)程序，對所展示出數(shù)據(jù)實(shí)施有效讀取，且可查詢歷史數(shù)據(jù)信息，介紹后臺(tái)系統(tǒng)程序把數(shù)據(jù)信息存入至數(shù)據(jù)庫整個(gè)實(shí)操過程。音傳感裝置持續(xù)更新，數(shù)據(jù)信息庫需實(shí)時(shí)存入更多新數(shù)據(jù)信息，故插入語句需放置于循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)模塊當(dāng)中，監(jiān)測與存儲(chǔ)同步完成。因樹莓派內(nèi)含采集數(shù)據(jù)、云服務(wù)裝置等在，數(shù)據(jù)信息庫連接并不需要指定IP 外部地址，可直接實(shí)施本地操作，確保信息傳輸操作穩(wěn)定性及安全性得以提升[4]。

（3）在報(bào)警和控制功能層面

該系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)警及控制功能模塊內(nèi)含釘釘版本機(jī)器人的報(bào)警模塊、風(fēng)扇控制系統(tǒng)模塊、蜂鳴裝置報(bào)警等，各個(gè)模塊有效聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)多途徑報(bào)警，信息數(shù)據(jù)可精準(zhǔn)且安全發(fā)送至管理員后臺(tái)，損失得以減少。釘釘版本機(jī)器人，她屬于釘釘辦公的社交軟件一種內(nèi)置功能，為釘釘群聊擴(kuò)展功能，能夠把第三方的服務(wù)信息靜接口推送至群聊當(dāng)中，信息可實(shí)現(xiàn)有效同步。蜂鳴裝置屬于本地報(bào)警系統(tǒng)模塊，能夠彌補(bǔ)斷網(wǎng)相關(guān)極端環(huán)境之下報(bào)警形式的空缺，屬于單獨(dú)的系統(tǒng)程序。異常情況出現(xiàn)后，主程序會(huì)及時(shí)通過相應(yīng)編碼予以有效條用。調(diào)用主程序期間，高電平輸出，蜂鳴裝置會(huì)發(fā)出聲響。溫度在回至正常參數(shù)值后，系統(tǒng)主程序會(huì)將停止信號(hào)發(fā)出，蜂鳴裝置則會(huì)停止運(yùn)行。異常溫度環(huán)境之下，風(fēng)扇可起到一定響應(yīng)裝置作用，后續(xù)使用期間可替換成空調(diào)開關(guān)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。風(fēng)扇運(yùn)行原理類似于蜂鳴裝置外部的一種可調(diào)用系統(tǒng)程序。如圖4 所示。

圖4 報(bào)警和控制模塊

■2.3 在測試層面

搭建硬件系統(tǒng)平臺(tái)和軟件編程完畢，對該系統(tǒng)開展整體測試，對系統(tǒng)自身可靠性及功能性予以有效驗(yàn)證分析。此次研究，布設(shè)好小型的實(shí)驗(yàn)室開展一周持續(xù)性的運(yùn)行測試。

（1）在功能測試層面

功能測試，即為驗(yàn)證系統(tǒng)內(nèi)部既定功能，內(nèi)含數(shù)據(jù)信息能否正常完成此案件入庫存儲(chǔ)，網(wǎng)頁可否實(shí)現(xiàn)正常顯示，異常參數(shù)值發(fā)生后是否能夠及時(shí)開展報(bào)警操作等各項(xiàng)系統(tǒng)功能。需對系統(tǒng)裝置開展細(xì)致檢查工作，確保裝置硬件正常連接，進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫內(nèi)部，在將數(shù)據(jù)表當(dāng)中數(shù)據(jù)指令輸入進(jìn)去，查閱所存儲(chǔ)信息數(shù)據(jù)。報(bào)警測試期間，技術(shù)員需手握溫度傳感裝置，確保溫度可提升到30℃，對釘釘可否存在著機(jī)器人的報(bào)警信息數(shù)據(jù)實(shí)施有效檢查，觀察該蜂鳴裝置可否維持正常發(fā)聲狀態(tài)。

（2）在可靠性測定層面

圍繞著系統(tǒng)開展可靠性的有效測定，其實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)可否維持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，部署環(huán)境下不會(huì)有宕機(jī)產(chǎn)生。若卡頓異常，或者是同步產(chǎn)生多條傳感裝置，則是否會(huì)堵塞信息數(shù)據(jù)。測定結(jié)果屬于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部溫度遠(yuǎn)程專項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)一周持續(xù)運(yùn)行后，可始終維持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀態(tài)，宕機(jī)及卡頓等現(xiàn)象并未產(chǎn)生，所有系統(tǒng)功能均可維持正常穩(wěn)定地運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)之下實(shí)驗(yàn)室的溫度遠(yuǎn)程專項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐設(shè)計(jì)中，為確保系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)，仍然需更多技術(shù)員增加對這一層面實(shí)踐研究，以保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體效果。