基于物聯網的智能實驗室預訂系統

張鑫 天津工業大學電子與信息工程學院

基于物聯網的智能實驗室預訂系統

張鑫 天津工業大學電子與信息工程學院

當前已經構建了智能用電系統，傳統插座問題日益凸出，為了有效解決這一問題，提出了基于物聯網的智能插座設計。下面通過在校園的實際項目，分析整體架構設計，其中包括智能插座各主要模塊以及前后端的設計思路。

物聯網 智能插座 設計思路

隨著人工智能概念的不斷推進，對智能設備的要求越來越高，同時也帶來了諸多問題，如電量的控制，智能化的體驗，我們以實驗室為基礎環境，提供一整套的智能化預訂和使用設備的解決方案，在監控用電狀況的同時，實現設備的自動開關，完善的交互模式。

1 整體架構設計

對于此次校園內智能預訂系統而言，其功能包括對儀器設備的控制、電量數據分析、用戶數據采集等，因此進行其整體架構設計時，分別包括微信公眾號、無線智能插座、后臺管理網站。學生或者老師，可以通過微信公眾號選定想要使用的設備，以及設備使用的時間，然后通過設備負責人確認后，方可使用，流程如圖1所示：

圖1 智能實驗室設備預訂流程

此設計以微信為基礎，無需下載app，掃碼后，服務器校驗用戶和設備信息，下發指令，打開智能插座，再預定時間到達前20分鐘，微信和設備同時提醒用戶做好下機準備。含記憶性的設備，會同時提醒管理員，并且智能插座會延遲計算功率差值，確認在合理范圍內再斷電。

2 物聯網的智能插座設計

2.1 智能插座模塊的設計

此 次 設 計 使 用 的 是ESP-12DIP、STM32F103C8T6、ACS712，分別用于無線通信、主控處理以及電流檢測。對于設計電源模塊時，應用了開關電源電路，工作效率得到提升，工作穩定性得到提高。WIFI模塊電源管理，如果WIFI死機，沒有反應等，通過SI2301斷電，使WIFI模塊重新開機，如圖2所示。

在整體的解決方案當中，我們采用了前后端分離的思想。將硬件設計電路，完全分離出來，作為一個獨立的整體進行開發。并將所有的功能，例如，控制開關、獲取電量信息、等，做成標準化接口。以方便外部設備調用。這種設計方案有助于我們，將技術問題的解決方案，與場景的解決方案分離，如圖3所示

圖2 wifi模塊

圖3 接口設計說明

2.2 微信公眾號預訂設計

目前微信的人數基數已經超過QQ的人數基數，騰訊也開放了眾多的接口以及支付功能，方便我們開發自主業務；幾乎每個人的手機中都有微信，同時也降低了我們的推廣運營的成本，據統計，使用微信的用戶年齡在20-40歲之間，剛好是我們的用戶年齡段。目前用戶有兩種預訂方式：一是關注我們的公眾號，通過3*5菜單進入預訂主頁；二是直接掃描設備上面的二維碼進入。根據學校實際需求，此系統對用戶和設備均進行了分類和權限的設定，從而保證實驗室使用的合理性。同時我們對部分頁面做了埋點，用于采集用戶的行為數據，通過用戶瀏覽頁面的順序、頻次、間隔時間，來判斷功能和邏輯是否需要調整。在用戶完成預訂、上機、下機等關鍵性操作時，微信會同步推送消息給相關人員，以便管理時間和設備，所有數據均保存到云端服務器，并對所有通信接口進行加密處理，保障數據安全，真正實現無人看守管理，用戶隨來隨走無需簽到。

2.3 后臺管理系統設計

后臺管理網站使用php語言進行開發，用于管理實驗室設備信息，分配用戶和設備等分類以及權限，與前端使用同一服務器，快速查看用戶使用設備的時間、地點、設備用點狀況、頻次等諸多信息，我們單獨制作了特定的頁面，用于顯示相關數據的曲線圖，同時也可以excel的形式導出想要的數據，如圖4所示。

圖4 上線7日內用戶行為數據

2.4 服務器設計

此項目采用阿里云服務器，配置Linux系統，nignx代理，使用redis緩存＋mysql數據庫，以及PHP語言環境，使用nignx配置http和https雙重代理，保證服務器訪問的安全性以及后期的可擴展性，使用消息隊列，防止出現高并發時的數據存儲和查詢異常，減少請求響應時間和解耦；對對外鏈接，nginx做了防盜鏈措施，防止通過技術手段獲得它人服務器上的資源地址，繞過別人的資源展示頁面，直接在自己的頁面上向最終用戶提供此內容的現象；與此同時我們將數據庫做了主從分離，將讀操作和寫操作分離到不同的數據庫上，避免主服務器出現性能瓶頸，主服務器進行寫操作時，不影響查詢應用服務器的查詢性能，降低阻塞，提高并發，數據擁有多個容災副本，提高數據安全性，同時當主服務器故障時，可立即切換到其他服務器，提高系統可用性。

3 總結

隨著物聯網和人工智能的不斷發展，各行業對智能硬件的需求將會與日俱增，我們也同樣相信，智能校園的概念也會在不久的將來會被全世界所接受，物聯網已經進入了高速發展期，靈活多變的應用場景必將迎來更多的挑戰。

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