淺談中控技術(shù)在科技館領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

賈清

上海科技館 上海 200127

1 科技館對(duì)展品管理現(xiàn)狀的研究

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技和信息技術(shù)發(fā)展迅速，關(guān)注學(xué)生基礎(chǔ)教育的各個(gè)科技館，越來(lái)越多地綜合了各種形式多樣的展品，它們具有數(shù)量多、種類多、分布廣等特點(diǎn)。

現(xiàn)在，科技館已經(jīng)從以前傳統(tǒng)的應(yīng)用觸摸一體機(jī)、電腦、顯示器等單一設(shè)備的模式，逐漸發(fā)展到越來(lái)越多地應(yīng)用了人體感應(yīng)設(shè)備、攝像頭捕捉設(shè)備、激光投影機(jī)等先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。同時(shí)，科技館的展項(xiàng)設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，隨之而來(lái)的問(wèn)題就是整個(gè)場(chǎng)館內(nèi)所有設(shè)備該如何有效地管理，才能節(jié)省人力成本。隨著市場(chǎng)上集中控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展，各個(gè)科技館也逐漸開(kāi)始使用中控系統(tǒng)來(lái)集中管理場(chǎng)館內(nèi)的展品設(shè)備。

由于科技館內(nèi)展品種類繁多，有投影機(jī)、電腦、電視、顯示器、人體感應(yīng)設(shè)備等各種設(shè)備，如果僅僅依靠管理員逐個(gè)手動(dòng)關(guān)閉，工作量巨大，如果強(qiáng)行關(guān)閉總電源來(lái)關(guān)機(jī)，對(duì)設(shè)備尤其是電腦主機(jī)會(huì)造成很大的危害，因此，在科技館應(yīng)用中控系統(tǒng)統(tǒng)一管理設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)非常有必要。

2 采用中控技術(shù)的重要意義

科技館的中控智能化系統(tǒng)是一種對(duì)科技館內(nèi)所有展項(xiàng)進(jìn)行集中管理和控制的智能控制系統(tǒng)。將所有需要統(tǒng)一管理的設(shè)備通過(guò)終端Wi-Fi控制模塊接入局域網(wǎng)，管理員就可以通過(guò)接入局域網(wǎng)的電腦、平板、手機(jī)等智能設(shè)備遠(yuǎn)程管理館內(nèi)的各展項(xiàng)設(shè)備，可以單獨(dú)控制每個(gè)展項(xiàng)的設(shè)備，也可以分區(qū)域分場(chǎng)館來(lái)集中控制。中控系統(tǒng)的操作界面中每個(gè)菜單都可以控制一個(gè)系統(tǒng)，而且針對(duì)每個(gè)設(shè)備有單獨(dú)的控制按鈕，管理員可以輕松地通過(guò)電腦、平板、手機(jī)等智能設(shè)備遠(yuǎn)程管理館內(nèi)的各展項(xiàng)設(shè)備，不需要走到每個(gè)設(shè)備前進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)展廳的管理和控制。

中控智能化系統(tǒng)就是為了讓展示更加智能化、智慧化、現(xiàn)代化，具體要實(shí)現(xiàn)各展項(xiàng)的集中控制，方便業(yè)主管理，節(jié)約能耗的實(shí)際作用。展廳智能中控系統(tǒng)是一套靈活、穩(wěn)定可靠、高端的智能控制系統(tǒng)，整合了整個(gè)展廳的所有展項(xiàng)，使之更加智能化、智慧化。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)功能需求

3.1 整體功能需求

(1)展廳中控系統(tǒng)主要通過(guò)客戶端與服務(wù)器端來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)展項(xiàng)開(kāi)、關(guān)機(jī)，定時(shí)開(kāi)、關(guān)機(jī)，定時(shí)巡查提示，記錄展項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)。控制對(duì)象為光、電展項(xiàng)。主要功能包括展項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、控制器設(shè)備顯示、展項(xiàng)輪詢、一鍵展項(xiàng)管理、一鍵開(kāi)關(guān)模塊、運(yùn)行狀態(tài)反饋。同時(shí)分?jǐn)傆布L(fēng)險(xiǎn)，避免因硬件意外損壞造成系統(tǒng)無(wú)法使用。中控系統(tǒng)主要基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制，若無(wú)線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或無(wú)法滿足需求時(shí)，同時(shí)支持有線網(wǎng)絡(luò)控制。此外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將預(yù)留足夠的余量，以便需要時(shí)系統(tǒng)擴(kuò)展使用。

(2)中控系統(tǒng)對(duì)常設(shè)展廳展品和展廳燈光進(jìn)行統(tǒng)一管理，并收集和保存設(shè)備的運(yùn)行信息。系統(tǒng)將所有帶電展品按PC控制、單片機(jī)控制、PLC控制和時(shí)序電源控制等方式分類，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)展品開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)控制。其中PC控制類展品、單片機(jī)控制類展品和PLC控制類展品可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警。

(3)中控系統(tǒng)支持多臺(tái)終端設(shè)備同時(shí)接入中控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)允許至少多個(gè)用戶同時(shí)操作，支持設(shè)置多個(gè)管理員賬戶，權(quán)限可按需分配，當(dāng)作為最高權(quán)限的系統(tǒng)管理員進(jìn)行操作時(shí)，其他管理員操作設(shè)備無(wú)效。同時(shí)，中控系統(tǒng)支持管理員在中控室內(nèi)進(jìn)行集中開(kāi)關(guān)機(jī)操作。

3.2 核心模塊功能需求

(1)控制展品電源通斷管理；

(2)控制展品內(nèi)的計(jì)算機(jī)、投影機(jī)等設(shè)備統(tǒng)一開(kāi)機(jī)、延時(shí)關(guān)機(jī)功能(計(jì)算機(jī)需保存數(shù)據(jù)正常關(guān)機(jī)、投影機(jī)需關(guān)機(jī)后保持通電一段時(shí)間以便散熱)；

(3)支持多種通信模塊用于計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備通信，如3個(gè)以上串口或RJ45接口、3路以上計(jì)算機(jī)按鈕接入、USB鍵盤喚醒功能；

(4)具有Wi-Fi模塊及加強(qiáng)天線能夠穩(wěn)定接入中控系統(tǒng)；

(5)具有應(yīng)急按鈕，以便維修或維護(hù)時(shí)能脫離中控系統(tǒng)，獨(dú)立啟動(dòng)或關(guān)閉；

(6)具有顯示模塊，能直觀顯示展品運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。

4 本課題研究過(guò)程與結(jié)果

4.1 研究步驟

(1)收集相關(guān)資料，對(duì)智能化中控系統(tǒng)的概念及其相關(guān)知識(shí)進(jìn)行篩選分析；

(2)閱讀關(guān)于智能化中控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r的相關(guān)資料，并進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研；

(3)成立項(xiàng)目開(kāi)發(fā)小組，開(kāi)會(huì)討論實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行機(jī)械、電氣、程序設(shè)計(jì)，聯(lián)合調(diào)試，制作出系統(tǒng)的第一套軟硬件；

(4)通過(guò)項(xiàng)目組內(nèi)部討論研究，查閱資料及系統(tǒng)優(yōu)化點(diǎn)進(jìn)行梳理，整理出可行的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化，最終做出研究總結(jié)。

4.2 研究方法

4.2.1 市場(chǎng)調(diào)研

在本課題開(kāi)發(fā)前，我們對(duì)目前市場(chǎng)上的中控系統(tǒng)做了相關(guān)調(diào)研。目前中控系統(tǒng)的主要控制方式有無(wú)線觸摸屏控制、有線觸摸屏控制、有線按鍵鍵盤控制，其主要通過(guò)中控服務(wù)器與其他被控設(shè)備的控制器、控制模塊或者控制主機(jī)連接，利用標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議而達(dá)到對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制，通信方式有：RS232、RS485、紅外、藍(lán)牙、網(wǎng)絡(luò)控制等。例如，電腦主機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)、投影機(jī)及觸摸屏、電視機(jī)、拼接屏等的開(kāi)關(guān)機(jī)、信號(hào)切換、投影幕的升降、音量的大小、設(shè)備電源的通斷、環(huán)境燈光的開(kāi)關(guān)及亮度調(diào)節(jié)等都在其控制范圍內(nèi)。中控系統(tǒng)在會(huì)議室、多功能演播廳、多媒體教室、場(chǎng)館、智能家居等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

4.2.2 實(shí)證研究

我們根據(jù)科技館的特點(diǎn)，與信息化、智能化和大數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出了智能化中控系統(tǒng)初版，并與客戶溝通，得到客戶的認(rèn)可，我們又通過(guò)項(xiàng)目組成員討論研究，查閱資料，將系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出優(yōu)化后的版本，我們系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)場(chǎng)館特點(diǎn)，做了智能化大數(shù)據(jù)的分析，使中控系統(tǒng)可以更全面、直觀地了解整個(gè)館內(nèi)的照明及展品設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，我們采用有線和無(wú)線結(jié)合的控制方式，在控制模塊上不但設(shè)計(jì)了RJ-45的有線連接接口，還設(shè)計(jì)了Wi-Fi模塊，可以根據(jù)科技館內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)狀況，靈活考慮使用有線控制還是無(wú)線控制。

4.3 研究結(jié)果

4.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能化中控系統(tǒng)的主要設(shè)備包括服務(wù)器、路由器、POE交換機(jī)、無(wú)線AP、平板電腦、終端Wi-Fi控制模塊、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)電控制箱幾部分組成。中控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖：

圖1 中控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4.3.2 系統(tǒng)主要功能

(1)通過(guò)電腦客戶端，用平板電腦、手機(jī)等控制整個(gè)場(chǎng)館燈光的開(kāi)啟和關(guān)閉。

(2)通過(guò)電腦客戶端，用平板電腦、手機(jī)等控制整個(gè)場(chǎng)館展項(xiàng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

(3)通過(guò)為服務(wù)器電腦設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)命令，使其控制展項(xiàng)和燈光每日定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。

(4)實(shí)時(shí)檢測(cè)展項(xiàng)的各個(gè)模塊狀態(tài)，在檢測(cè)到某個(gè)模塊故障時(shí)，自動(dòng)發(fā)送問(wèn)題清單至系統(tǒng)服務(wù)器，并通知維修人員及時(shí)維修。在維修成功后，自動(dòng)檢測(cè)并完成維修清單。

(5)每周自動(dòng)生成展品運(yùn)行狀態(tài)記錄表，并發(fā)送至相關(guān)人員微信，方便其查閱。

(6)可以通過(guò)中控Web管理平臺(tái)配置展項(xiàng)控制及燈光控制相關(guān)信息。

(7)可以通過(guò)中控Web管理平臺(tái)查詢展項(xiàng)相關(guān)的信息，包括歷史運(yùn)行記錄、備件存量、故障日志等。

(8)整個(gè)中控都是基于無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)運(yùn)行，因此需要為科技館進(jìn)行無(wú)死角無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證中控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3.3 軟件功能架構(gòu)

該中控軟件共分為四個(gè)軟件，客戶端中控程序/APP中控程序、服務(wù)端程序、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置Web程序、Wi-Fi控制模塊程序，其具體功能如下：

設(shè)計(jì)原則：易擴(kuò)展，方便維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2

圖3

4.3.4 軟件技術(shù)

4.3.4.1 平臺(tái)架構(gòu)

中控系統(tǒng)中的所有子系統(tǒng)主機(jī)采用分布式管理技術(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)與中央主機(jī)連接，構(gòu)成離散型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用分布式CS與BS兩種程序架構(gòu)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)端采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)，中間件使用MQTT通信技術(shù)，客戶端采用小程序、H5、APP和瀏覽器的方式，用戶能夠在統(tǒng)一的操作平臺(tái)界面通過(guò)簡(jiǎn)單的操作完成對(duì)各種設(shè)備子系統(tǒng)的監(jiān)控。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用mysql，存儲(chǔ)容量大，并支持多用戶并發(fā)操作數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性高，有安全密碼設(shè)置，數(shù)據(jù)以基礎(chǔ)編碼方式存儲(chǔ)。查詢速度快，保證系統(tǒng)流暢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全。

4.3.4.2 開(kāi)發(fā)工具

采用html、JavaScript、PHP、C#等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言開(kāi)，開(kāi)發(fā)速度快、穩(wěn)定、容易維護(hù)。采用PHP、Apache服務(wù)器開(kāi)發(fā)查詢系統(tǒng)(BS架構(gòu))，PHP是目前最主流的開(kāi)發(fā)環(huán)境，目前大部分系統(tǒng)都采用PHP來(lái)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性、延續(xù)性非常優(yōu)秀，維護(hù)特別方便。

4.3.4.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

(1)中控服務(wù)端。集中管理所有Wi-Fi模塊，控制Wi-Fi模塊開(kāi)合關(guān)閉，獲取Wi-Fi模塊當(dāng)前的狀態(tài)，通知和接受客戶端和PC端發(fā)過(guò)來(lái)的指令。將展項(xiàng)故障信息直接下發(fā)至管理人員短信、微信等。此軟件是整個(gè)中控軟件大腦。

(2)中控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置Web程序。集中管理所有的Wi-Fi設(shè)備，做好相應(yīng)的接口，供中控服務(wù)端和客戶端調(diào)用。

(3)中控客戶端。一鍵開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)，每個(gè)展項(xiàng)開(kāi)機(jī)，每個(gè)區(qū)域開(kāi)機(jī)，可以語(yǔ)音控制，所有的配置信息從中控Web管理平臺(tái)中獲取，可查看展項(xiàng)的運(yùn)行狀態(tài)。

(4)Wi-Fi控制模塊程序。接受中控服務(wù)端發(fā)過(guò)來(lái)的關(guān)機(jī)命令，并關(guān)閉電腦；檢測(cè)展項(xiàng)電腦網(wǎng)絡(luò)是否正常；監(jiān)測(cè)前端展項(xiàng)的運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警，通斷控制，用電展項(xiàng)的供電電壓、電流等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)控。

5 研究結(jié)論

科技館的智能化中控系統(tǒng)需要充分考慮科技館所涉及的各類設(shè)備及特點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用Web技術(shù)與Wi-Fi技術(shù)，對(duì)館內(nèi)展項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行智能化大數(shù)據(jù)的分析，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)以圖形化方式，直觀地呈現(xiàn)在用戶操作界面上。

我們所設(shè)計(jì)的智能化中控系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

(1)多種訪問(wèn)系統(tǒng)的方式：在終端電腦主機(jī)上打開(kāi)Web瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)；手機(jī)上安裝APP訪問(wèn)系統(tǒng)；還可以使用iPad等移動(dòng)設(shè)備，安裝APP訪問(wèn)系統(tǒng)。

(2)增加移動(dòng)設(shè)備的訪問(wèn)功能，可以為展廳和管理員配備平板電腦，或者使用管理員自己的普通手機(jī)，成本低廉且使用方便。

(3)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制場(chǎng)館內(nèi)照明和設(shè)備的統(tǒng)一管理，可一鍵式開(kāi)關(guān)機(jī)和照明；可分展廳、分區(qū)域管理照明和設(shè)備；也可單獨(dú)對(duì)指定照明和展項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行管理。

(4)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)管理及信息自動(dòng)推送。

(5)增加展品維保信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。

(6)系統(tǒng)可以在科技館展廳規(guī)劃初期設(shè)計(jì)時(shí)介入，也可以在展廳已經(jīng)投入使用后期改造時(shí)介入。如果在規(guī)劃初期設(shè)計(jì)時(shí)介入，可以設(shè)計(jì)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入，系統(tǒng)支持同時(shí)使用有線和無(wú)線方式進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集；如果在后期改造時(shí)介入，不具備有線網(wǎng)絡(luò)條件時(shí)，可以全部采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，在展廳內(nèi)安裝無(wú)線AP，覆蓋整個(gè)展廳。