基于物聯網技術的智慧開放實驗室管理系統設計

曲 娜, 盛桂珍, 楊海波

(1. 吉林建筑大學 城建學院, 吉林 長春 130111； 2. 北京精儀達盛科技有限公司, 北京 100089)

計算機技術應用

基于物聯網技術的智慧開放實驗室管理系統設計

曲 娜1, 盛桂珍1, 楊海波2

(1. 吉林建筑大學 城建學院, 吉林 長春 130111； 2. 北京精儀達盛科技有限公司, 北京 100089)

設計了基于物聯網技術的智慧型開放實驗室管理系統。該系統集智能實驗管理、遠程管理、傳感與視頻聯動及能源節約等功能優勢于一體,采用統一的技術平臺,實現校內開放實驗室的數據共享,可以通過3G客戶端、移動終端、PC端等來實現監控管理功能。智慧型開放實驗室管理系統使實驗教學改變了指定時間、指定地點、指定實驗項目的傳統模式,既滿足了學生對實時開放實驗室的需求,也減少了實驗室管理的負擔。

智慧實驗室； 物聯網； 實驗室管理系統

1 對智慧型開放實驗室管理系統的需求

目前,我國已經擁有的一些比較成熟的實驗室信息管理系統[1-2](laboratory information management system,LIMS)商業軟件,如英普思軟件有限責任公司研發的Inpro LIMS,北京中科科儀計算技術有限責任公司研發的SISc LIMS,北京匯博精瑞科技有限責任公司研發的LabBuilder LIMS等[3]。這些管理系統軟件主要是面向公司應用的,適合在分析型實驗室中應用；這些軟件的功能模塊一般是服務于操作流程的。有些LIMS商業軟件看似內容豐富,在實際應用中卻存在許多不合理或不便于使用的缺陷,有些產品只有“增”、“刪”、“改”、“查”等基本功能,缺少統計和實驗設備狀態信息查詢功能,不能充分滿足高校實驗室的教學和管理要求[4]。因此,基于高校實驗室使用的管理信息系統還有很大的研究、探索的空間。

筆者根據高校實驗室信息管理的實際需要,統籌學校資源,把學生信息管理功能、安防監控功能和設備管理功能等結合起來,開發出一套適合本校新校區管理需要的智慧開放實驗室管理系統。該管理系統符合學校發展和創新人才培養的模式,體現了高能力、高素質的創新型人才培養思路和總體方向[5-6]。

2 智慧開放實驗室管理系統的功能

(1) 預警功能。該系統不僅要實現視頻資料的記錄功能,還要有一定的預警功能,將視頻信息與網絡傳送結合起來,在第一時間向相關管理人員發送短信和抓拍的圖片信息。

(2) 遠程控制。通過網絡可以進行遠程操作及控制,例如遠程授權控制門禁系統、電源系統、燈光系統、設備系統等多種模塊,方便進行管理和控制。

(3) 智能化管理。該系統可以通過服務端軟件對系統進行多種智能化設置,例如電源在08:00—20:00可以通電,而在其他時間段不能通電；門禁系統只允許人在規定的時間內刷卡進入等多種智能化管理措施。

(4) 無線傳輸。前端的節點設備可以通過無線的方式與報警主機連接,避免施工過程中布線帶來的麻煩。

(5) 適應各種網絡。平臺可適應局域網、廣域網、3G移動網絡、WiFi網絡等多種網絡集合。

(6) 適合多種操作方式和多種用戶。可通過PC機、移動終端設備接入系統[7]。實驗室管理人員可遠程操作和控制實驗室內相關電器設備；學生可遠程查看實驗室是否有空余位置以便安排實驗和學習。視頻監視系統可采集現場視頻信息、查看機房環境狀況,并將視頻信息存儲在服務器的硬盤中,供客戶端調取、回放。

(7) 門禁考勤功能。采用13.56 MHz的RFID射頻卡,學生可以刷卡開啟實驗室門禁,后臺系統能自動獲取刷卡人的身份信息和刷卡時間并進行考勤記錄。排座系統能根據機房座位的情況自動分配學生的座位。

基于智慧物聯網技術的開放實驗室管理系統結構如圖1所示。

圖1 智慧開放實驗室管理系統的結構

3 關鍵技術方法

3.1 ZigBee協議棧的升級與多種節點控制

物聯網技術在智慧實驗室節點的設計與開發主要包括以下方面。

(1) ZigBee實驗箱智能取電節點。可以對安裝有智能取電節點的實驗箱遠程授權,經授權后學生才可以操作此實驗箱,防止在非授權的情況下操作實驗箱,減少實驗箱的損壞。管理人員可以在終端及時發現實驗完成后未斷電的實驗箱并采取措施,有效避免實驗室的電氣安全事故。

(2) ZigBee火災檢測節點。采用離子式煙霧傳感器,內含電離室,所用放射性元素镅241(Am241)的活度約2.96×104Bq。正常狀態下處于電場的平衡狀態,當煙塵進入電離室后會破壞這種平衡,報警電路檢測到濃度超過設定的閾值時會發出報警。數據開發包支持C/S、B/S架構的VC++/C#/Java。

(3) ZigBee可燃氣體檢測節點。可燃氣體探測器采用高品質傳感器,微處理器結合精密溫度傳感器能夠智能補償氣敏元件的漂移,環境適應范圍寬,工作穩定,可檢測天然氣、液化石油氣和煤氣的濃度,支持C/S、B/S架構的VC++/C#/Java。

(4) ZigBee溫/濕度采集節點。溫/濕度傳感器SHT11把傳感元件和信號處理集成起來,輸出的數字信號為全標定,具有高可靠性與長期穩定性。設計中所采用的溫/濕度傳感器將一個利用能隙材料制造的測溫元件和一個電容性聚合體的測濕敏感元件結合在同一芯片上,與14位A/D轉換器、串行接口電路連接。校準系數以程序形式儲存在OTP內存中,在標定的過程中使用。

(5) ZigBee光照度采集節點。光照度傳感器采用AVAGO公司的數字光照度傳感器APDS-9300。APDS-9300是一款低電壓數字環境光照光學傳感器,可以將光照強度轉換為數字信號并直接通過I2C接口輸出。每個器件都配置了一個寬帶光電二極管(外加紅外線可見)和一個紅外光電二極管。2個集成型ADC將光電二極管電流轉換到數字輸出接口時即對每個通道上的照射強度進行測量。這種數字輸出信號可以被輸入到微處理器中,采用經驗公式將勒克斯照度(環境光照度)推導為近似人眼的視覺反應。

(6) ZigBee聲光報警器節點。ZigBee聲光報警器節點的作用是:當有傳感器或圖像識別設備檢測到系統設定外的異常情況時,系統將發出高分貝的警笛聲音,提醒用戶和警示入侵者。

各個終端節點采集到數據后,通過ZigBee協議發送給數據采集協調器,協調器通過有線傳輸將信號送往Web服務器,最終可通過Internet、GPRS等網絡進行遠程控制系統路徑實現雙向通信。

3.2 嵌入式視頻編解碼的設計與實現

嵌入式視頻監控系統具有視頻采集、處理、存儲、傳輸和控制等功能。該系統的設計分為3部分[8]:

(1) 嵌入式流媒體服務器設計,主要功能是完成視頻采集、處理、存儲及傳輸功能；

(2) 嵌入式Web服務器設計,主要處理監控端發來的請求并實現與瀏覽器的交互,為用戶提供監控平臺；

(3) 視頻監控端設計,用戶在客戶端向嵌入式Web 服務器發出視頻監控請求,通過CGI程序與嵌入式Web服務器進行交互,Web服務器接到請求后啟動嵌入式流媒體服務器,將攝像頭采集到的視頻經過流媒體服務器處理后存儲并傳輸到監控端,用戶可以實時進行視頻監控。

系統結構如圖 2所示。

圖2 視頻監控結構圖

3.3 網絡結構和多種查看顯示

(1) 服務端軟件采用C/S網絡結構,對基于網絡的分布式視頻數據集中管理與存儲,具有強大的智能識別與智能分析處理功能,支持CMRTP協議。該軟件支持64個NVS(embedded-network video system)點,具有視頻存儲、轉發、傳感數據傳輸、控制命令轉發、報警信息處理等功能。

(2) PC機客戶端視頻查看與控制軟件具有設備管理和在線設備顯示、設備點未連接顯示列表、四畫面視頻實時查看、報警信息與設備問題信息顯示、視頻錄像檢索與回放、設備日志管理、報警日志管理、操作日志管理、報警方式與顯示設置、網絡傳輸模式設置、控制命令發送與狀態顯示、傳感數據顯示、報警畫面自動彈出等功能。

(3) PAD端視頻查看與控制軟件具有設備管理與在線設備顯示、視頻實時查看、報警信息與設備問題信息顯示、視頻錄像檢索與回放、報警日志管理、報警方式與顯示設置,網絡傳輸模式設置、控制命令發送與狀態顯示、傳感數據顯示、報警提醒等功能。

4 結束語

基于智慧物聯網技術的開放實驗室管理系統在開放服務、資源共享、便捷管理和節省人力資源等諸多方面具有重要意義,市場前景廣闊[9-10]。該項技術可以進一步擴展到物聯網智慧家庭、物聯網智慧農業、物聯網智慧商鋪、物聯網智慧工業等更多的應用領域[11-12],培養更多的物聯網技術開發人才[13]。

References)

[1] 申書軍.某高職院校實驗室管理系統設計與實現[D].濟南:山東大學,2013.

[2] 李君.實驗室綜合管理平臺系統的設計與實現[D].青島:中國海洋大學,2010.

[3] 蔡明山.高校實驗室綜合管理系統研究與設計[D].長沙:湖南大學,2003.

[4] 步春媛,徐大華.智能實驗室監控系統的設計[J].實驗技術與管理,2007,24(7):145-147.

[5] 杜月林.構建多層次全方位實驗平臺體系培養高素質創新型人才[J].實驗室研究與探索,2013,32(3):202-204.

[6] 馮英忠,盧澤楷,李志光.地方高校實驗室建設與創新人才培養的研究和實踐:以廣州大學為例[J].實驗技術與管理,2012,29(11):26-28.

[7] 江雪梅,劉泉,張小梅.3G移動通信系統與物聯網創新實驗平臺建設[J].實驗技術與管理,2012,29(5):133-135.

[8] 楊念,李峰.基于B/S的嵌入式視頻監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2008,29(21):5576-5579.

[9] 徐勇軍,劉禹,王峰.物聯網關鍵技術[M].北京:電子工業出版社,2012.

[10] 呂倩.基于云計算及物聯網構建智慧校園[J].計算機科學,2011,38(增刊1):18-21,40.

[11] 吳巍,吳渭,駱連合.物聯網與泛在網通信技術[M].北京:電子工業出版社,2012.

[12] 周洪波.物聯網:技術應用標準和商業模式[M].北京:電子工業出版社,2011.

[13] 陸基孟,金波,徐京明,等.深化實驗教學改革,加強能力培養:石油高校實驗教學改革主要經驗與體會[J].實驗技術與管理,2000,17(1):97-100,110.

Design of intellignet open laboratory management system based on Internet of things technology

Qu Na1, Sheng Guizhen1, Yang Haibo2

(1. City College, Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China; 2. Beijing Techshine Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China)

The intelligent open laboratory management system is designed based on Internet of things technology. The system integrates the advantages of intelligent experiment management, remote management, sensing and video linkage and energy saving. It uses the unified technology platform to realize the data sharing of the open laboratory in the University. It can realize the function of monitoring and management through 3G client, mobile terminal and PC terminal. The intelligent open laboratory management system to make the experimental teaching has changed the traditional mode of the designated time, designated place, designated experimental project, which can nat only meet the needs of students to open laboratory in real time, but also reduce the burden of laboratory management.

intelligent laboratory; Internet; laboratory management system

2015- 05- 06

曲娜(1982—),女,吉林長春,碩士,講師,主要研究方向為電子技術應用.

E-mail：271672706@qq.com

TP393

A

1002-4956(2015)12- 0140- 03