基于物聯網的高校大型儀器設備智能管理系統研究

陳仁安, 鄭新旺, 莊鳳彬

(集美大學 實驗管理中心, 福建 廈門 361021)

基于物聯網的高校大型儀器設備智能管理系統研究

陳仁安, 鄭新旺, 莊鳳彬

(集美大學 實驗管理中心, 福建 廈門 361021)

為了規范、高效和安全地管理高校大型儀器設備,為師生提供良好的科研創新平臺,設計一種基于物聯網技術的儀器設備智能管理系統總體方案,采用ZigBee技術搭建網絡平臺實現實驗室環境監測,采用校園一卡通實現儀器設備智能管理,提高了實驗儀器設備的綜合管理效率。

智能管理系統； 物聯網； 大型儀器設備

大型儀器設備是高等學校進行實驗教學和科研工作的必需手段和重要物質條件,加強大型儀器設備的科學管理是保證教學質量和提高科研水平的重要工作[1]。大型儀器設備價格昂貴,作為社會稀缺資源,其配置、管理和使用一直受到高校和社會各方面的關注[2]。隨著高等教育事業的蓬勃發展,高校大型儀器設備數量不斷增長,如何發揮這些優質設備資源的作用,提高儀器設備的使用效益,使大型儀器設備在支持高水平科學研究、培養高素質人才、推動學科建設方面發揮積極作用,已成為各大高校研究探討的熱點問題[3]。

傳統的大型儀器設備管理基本上采用人工管理,這種管理模式需要投入大量的人力和時間來實現儀器預約、監管執行、機時統計等日常事務,設備利用效率低、信息采集困難、動態管理困難[4]。物聯網是指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[5-6]。現在廣泛應用于智能交通、智能家居、運輸跟蹤、安防等領域。ZigBee作為當今最熱門的無線傳感器網絡技術之一,以其低功耗、低成本、組網自適應、網絡容量大等特點,已經被廣泛應用于自動控制和監控領域[7-9]。在這樣的背景下,提出了基于物聯網的設備智能管理模式,實現實驗室環境的實時監控、設備信息的全局管理、儀器設備信息的動態管理。

1 設備智能管理系統基本組成

設備智能管理系統主要包括環境管理模塊和設備管理模塊(見圖1)。

圖1 設備智能管理系統組成框圖

智能管理系統的環境管理模塊采用ZigBee技術實現視頻采集、防火、防盜、門禁系統等遠程控制和監測。基于大學校園基本建設了校園一卡通,設備管理模塊共享一卡通數據中心人員信息,建立一個實驗室大型儀器設備管理系統獨立專網,并將應用服務器、數據庫服務器、門禁系統聯入網中,實現大型儀器設備的管理。

1.1 環境管理模塊

該模塊主要包括視頻、溫濕度等信息采集,電源、照明等集中控制。實驗室的安全、防火、防盜、門禁系統等都可以遠程實現對其進行控制和監測。

1.2 設備管理模塊

該模塊包括信息發布及日常管理。用戶通過訪問系統的網站了解實驗室管理規則、設備情況,在開戶后就可預約使用。管理人員在收到用戶的預約申請后進行審核,并將審核結果通知用戶。系統通過門禁系統記錄用戶使用設備的時間。信息發布主要有開戶申請、預約申請、信息瀏覽、信息查詢等。日常管理主要有開戶管理、預約管理、查詢統計和參數設置等。

2 系統設計方案關鍵技術

2.1 環境管理模塊的設計實現

2.1.1 ZigBee技術簡述

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定,ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備。優點是省電、簡單、成本低。ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)。主要應用領域包括無線傳感器網絡、數據采集、工業控制、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等[10-11]。

2.1.2 硬件結構

根據大型儀器設備環境管理的需要,選擇1個網絡視頻系統(NVS)網關,選取相應ZigBee節點設備,完成視頻采集、電源插座管理、設備進出入管理、門禁考勤、無人值守紅外安全防盜等功能(見圖2)。

圖2 環境管理模塊硬件結構圖

(1) 物聯網視頻網關：單路NVS網關,支持1-4路視頻IP傳輸、支持CMRTP/RTCP協議、支持ZigBee協議、可實現對ZigBee控制節點的控制、可實現對ZigBee傳感節點的信號采集；

(2) 壁掛式紅外檢測器：安裝墻壁上,檢測區域內熱釋電,通過ZigBee發送給NVS網關,對區域內的非法闖入發出報警信號；

(3) 吸頂式紅外檢測器：固定設備非法移動檢測；

(4) 幕簾式紅外檢測器：門窗非法進入檢測；

(5) 煙霧檢測器：檢測區域內煙霧濃度,通過ZigBee發送給NVS網關,對區域內的火災發出報警信號；

(6) 溫濕度檢測器：檢測區域內溫度、濕度；

(7) 聲光報警器：通過ZigBee接收NVS網關發來的信息,實現本地報警功能,嚇阻入侵者；聲光報警器通過校園網以短信,彩信或者網絡報警形式上傳系統管理員；

(8) 一鍵布防：無線遙控按鈕,配合ZigBee NVS網關對安防系統實現開啟、關閉。

2.1.3 基于ZigBee的無線節點控制實現

系統中各節點的操作及信息采集的接口是由Libiot開發包實現,采用動態鏈接庫技術(libiot.dll),基于模塊式編程的理念,實現了物聯網的接入,包括服務器的連接、對物聯網節點的操作與數據采集等功能。應用系統二次開發能夠對各節點采集的信息進行分析、處理,并根據決策算法對報警、異常等重要信息及時管控。

用戶與模塊的交互包括命令的發送、狀態及數據的接收。基本的操作流程包括以下幾點：

(1) 應用程序通過調用接口來使用模塊提供的功能；

(2) 應用程序與模塊通過XML文件來交換數據；

(3) 模塊通過消息通知應用程序數據已更新；

(4) 應用程序收到消息后從XML文件中讀取數據。

模塊調用流程如圖3所示。

圖3 模塊調用流程圖

節點操作控制的具體數據走向如圖4所示。操作命令由客戶端發送,經由服務器、NVS網關、節點中心、協調器等后到達節點,在命令傳送的過程中,每級都有命令傳送狀態的反饋,表示該層已經成功接收并驗證該指令。

圖4 節點操作數據走向圖

節點成功執行命令后會給客戶端反饋執行后的結果,使客戶端能夠得到節點的當前狀態或數據。節點返回執行指令后的狀態如表1所示。

表1 節點執行指令后的狀態

例如Libiot中提供的電源控制節點相關操作有CM_IOT_POWER_QueryStatus(電源類節點的狀態獲取)和CM_IOT_PowerCtrl(電源類節點的操作),其中CM_IOT_PowerCtrl 的函數定義如下：

int __stdcall CM_IOT_POWER_Ctrl( CM_HANDLE hCM,//CM_Init返回的句柄 ULONG ulNvsID,//NVSID號 ULONG ulNetID,//協調器的網絡號 ULONG ulNodID,//節點地址 int nOpCode //操作碼,1打開,0關閉 );

在具體應用實現基于zigbee的無線電源控制時,程序依托圖3的模塊調用流程開發設計,具體執行中通過讀取設備xml文件、獲取設備netid和nodeaddr,對其執行節點操作函數(CM_IOT_POWER_Ctrl),然后通過查詢的返回值(見表1)來判斷電源控制操作是否成功執行。

2.2 設備管理模塊

設備管理模塊共享校園一卡通數據中心,建立一個實驗室大型儀器設備管理系統獨立專網實現設備的管理,模塊主要包括信息發布及日常管理。

2.2.1 網絡結構

實驗室大型儀器設備管理網絡主要涉及3個網絡：一卡通專網、校園網、實驗室大型儀器設備管理系統專網[12]。

(1) 一卡通專網：共享數據庫存放與一卡通數據中心同步的人員身份信息。

(2) 校園網：用戶通過校園網訪問應用服務器進行開戶、預約,設備管理工作站通過校園網將預約結果反饋給用戶。

(3) 實驗室大型儀器設備管理系統專網：為了增加網絡的安全性,建立一個實驗室大型儀器設備管理系統獨立專網,并將應用服務器、數據庫服務器、門禁系統聯入網中。應用服務器負責網站管理,接收用戶預約信息,與一卡通數據中心進行比對；數據庫服務器與一卡通身份數據庫連接,存儲設備的相關信息,包括設備的使用時長,使用年限,相關人員對設備的使用情況,設備對內對外的費用金額,設備的年份、型號等數據；門禁管理系統包括用戶進出入實驗室大門刷卡,記錄用戶在實驗室的時間。

2.2.2 系統設計

設備管理模塊主要包括信息發布和日常管理。信息發布包括：

(1) 用戶登錄系統可查詢實驗室設備管理相關規定；

(2) 查詢設備相關信息,包括設備購買日期、制造廠商、設備性能及特點；

(3) 利用信息發布系統,可預先熟悉設備操作規程；

(4) 可查詢設備空閑時間；

(5) 查詢相關的收費標準；

(6) 可進行預約申請及取消。

日常管理信息包括：

(1) 管理人員審核確認預約信息；

(2) 用戶在登錄后可發表設備的使用情況；

(3) 對設備的使用情況、使用時長等相關的數據定期進行備份；

(4) 在實驗室大門設置門禁系統。預約用戶刷卡可進入實驗室,離開時刷卡開門離開。門禁系統記錄用戶進入時間和離開時間作為設備使用時間；

(5) 管理員可統計匯總機時利用、費用明細等。

3 系統應用

集美大學誠毅學院投資1 000多萬元建設航海船舶操縱模擬器實驗室,配備符合《STCW78/95公約》、挪威船級社(DNN)A級標準及國家海事局相關規定的航海模擬器,是國內第一家360°視景、最先進的航海模擬器。主要承擔航海類學生專業教學訓練,并可開展高級船員培訓、項目論證及科研開發。模擬器運行對環境有一定的要求,特別是溫度、濕度、煙霧等,同時需要具備防火、防盜等功能。將大型儀器設備智能管理系統應用于航海船舶操縱模擬器實驗室,系統實時控制和監測實驗室的溫度、濕度和煙霧,提高了實驗室的安全性。同時系統一方面具備預約、查詢、參數設置等功能,另一方面可以方便地實現大型儀器設備效益評價指標統計,包括機時利用、人才培養、科研成果、功能利用與功能開發、服務收入等幾方面[13]。系統的應用提高了大型儀器設備的使用效率,以及實驗室管理人員的管理效率,保證大型儀器設備的安全。

4 結語

基于物聯網的大型儀器智能設備管理系統能夠幫助實驗室管理人員便捷高效且更安全和實時地對實驗室設備進行監控和管理。能夠有效地防止實驗室設備常見的一些危險操作和設備失竊等現象,實驗室設備的使用、實驗室環境情況等也能做到有據可查。同時,該系統具有較高的通用性,不僅適用于高校的大型儀器設備的管理,還能應用到其他類型實驗儀器設備的管理,通過簡單的修改也能應用到高價值設備眾多的生產性企業中去。

References)

[1] 曾榮華,羅一帆,鄭啟明,等.高校大型儀器設備維護、管理的探討[J]. 實驗科學與技術,2009,7(5):139-141.

[2] 茍在康.提高大型貴重儀器設備使用效益的有效措施[J].實驗科學與技術,2007,5(3):135-136.

[3] 蔡兵,劉姝伶,尹玲娜,等.高校大型儀器設備開放共享的實踐與探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(2):259-263.

[4] 楊子祥,李春青,聶敬云.大型儀器設備管理控制系統[J].電腦知識與技術,2013,27(9):6189-6193.

[5] 劉云浩.物聯網導論[M].北京：科學出版社,2010:1-30.

[6] Gustavo R G,Mario M O,Carlos D K. Early infrastructure of an Internet of Things in Spaces for Learning[C]. Eighth IEEE Intemational Conferenc on Advanced Learning Technologies,2008:381-383.

[7] ZigBee Aliance. Network specification(draft version 1.0) [EB/OL].(2012-02-12). http:// www.zigbee.org.

[8] 孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2002:1-26.

[9] 張宏峰,李文峰.基于ZigBee 技術無線傳感器網絡的研究[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2006(8):12-15.

[10] 郭淵博,楊奎武,趙儉，等.ZigBee技術與應用[M].北京：國防工業出版社,2010：6-12.

[11] 高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009：27-53.

[12] 傅毅.高校實驗室貴重儀器設備共享管理平臺建設[J].衡水學院學報,2011,13(1)：81-84.

[13] 朱玲,季振國.高校大型儀器設備效益考核中應注意的幾個問題[J].實驗技術與管理,2013,30(9)：228-230.

Research on intelligent management system of university large-scale instruments and equipment based on Internet of things

Chen Renan, Zheng Xinwang, Zhuang Fengbin

(Experimental Management Center,Jimei University,Xiamen 361021,China)

In order to standardize,efficiently and safely manage university large-scale instruments and equipment,and provide a good scientific research and innovation platform for teachers and students,an overall plan for an intelligent management system for instruments and equipment based on the technology of Internet of things is designed. By using ZigBee technology to establish a network platform,the laboratory environment monitoring is realized. By using the campus card,the intelligent management of the instruments and equipment is achieved so as to improve the comprehensive management efficiency of the experimental instruments and equipment.

intelligent management system; Internet of things； large-scale instruments and equipment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.068

2016-11-10

福建省教育廳教育科研項目(JA13374)

陳仁安(1970—),男,福建漳平,碩士,高級實驗師,集美大學實驗管理中心主任,主要研究方向為大學物理、無線電技術.

E-mail：rachen70@163.com

TP315

A

1002-4956(2017)4-0268-04