基于物聯網控制的學校科學實驗園設計與研究

吳旭+潘華

摘要：本文對物聯網技術控制下學校科學實驗園的設計和研究進行探討，分析學校實驗園建設出現的問題，并提出學校科學實驗園的設計思路，提出解決方案，為學校科學實驗園的設計提供有效依據。

關鍵詞：物聯網；科學實驗園；設計；研究

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0140-03

1 研究內容

1.1 整體構架

基于物聯網控制的學校科學實驗園系統設計，實際上是由不同的層次所構成，如應用層，網絡層和感知層，其中的每個層次又能分成若干個子層次，保證整個系統的設計能夠貫穿硬件系統和面向用戶的圖形界面，具有很大的跨度，繼而提升了對設計人員工作的需求。而物聯網控制下學校科學實驗園設計的難點則是系統的集成工作，同時還需要做好軟硬件的協同工作以及跨平臺之后的兼容性。

對于系統功能模塊和軟件架構層次角度來說，學校科學實驗園系統的功能模塊主要有以下幾點（見圖1）。

（1）系統登陸。登陸系統的方式可允許管理員使用指紋掃描、網絡認證以及RFID等等，進行對數據的查詢和修改。（2）網絡信息平臺。基于B/S架構，對關鍵的數據進行觀看，以達到遠程控制和管理的充分落實。（3）中央控制平臺。保證在主操作界面上，能夠實施對多個模塊如安全、設備以及人員等的管理。（4）數據平臺。主要是針對中央控制平臺，以實現查詢、持久化的服務。（5）掃描倉儲。采用多種方式如二位編碼、掃碼器，與數據平臺和局域網相互配合，實現條碼生成-掃碼-出庫等一系列操作。（6）人員管理。采用物聯認證相關設備，對人員進行管理，如打卡的方式來觀測人員的進出，并將所有記錄保存在數據庫。（7）安全防護。其中的模塊主要有身份認證，環境、視頻等監控以及報警，采用攝像頭、Zigbee、光感、紅外和報警器等設備，全面落實。（8）燈光電力。充分落實智能用電。（9）智能展柜。將實驗園的成果放于智能展柜中，若沒有授權則無法將展柜打開，所有展柜打開等過程都被展柜系統記錄，與展品移動有關的信息都存入數據平臺中。（10）擴展。主要是對硬件接口擴展板和軟件編程切面的預留工作，在未來進行實現。

學校科學實驗園軟件層次架構如圖2，主要內容有以下幾點：

（1）傳感控制網絡。其構成有控制器和傳感器，實施對物理參數的監控，如濕度、溫度、聲音等等，同時還可實現對節點和設備的遠程控制，抽象化物聯網的感知層和硬件。（2）ARM+Linux+Android中控平臺。充分采用Anrroid平臺，Linux操作系統，Arm架構處理芯片，匯總整個傳感器控制網絡信息，并實現可視化操作，繼而實現與Windows平臺之間的數據交互，開發移動端應用。（3）Windows平臺。在Windows操作系統的管理、控制程序、監視下，實施與DB、Web、Arm平臺的交互，開發桌面級的應用。（4）Wsb信息控制。即成立可在多種平臺軟件適應的、基于html5的網站，完成系統參數的展示，并便于接受網絡的控制。（5）DB（數據庫）。用于對系統參數、日志、關鍵數據以及管理員等的身份信息的保存。

1.2 實驗園單個構架

1.2.1 實驗園安全監控系統的技術

作為整個系統的核心所在，其中的部分主要有控制單元、中央處理單元、預警報警單元、輸入和輸出單元，見圖3。其中輸入接口單元可對傳感器的輸入信號接收，實現開關輸入接口和中央處理單元的聯接；實現模擬量信號向數字量信息的傳喚，有效被中央處理單元接收。中央處理單元則是對接收輸入接口單元的監測數據進行良好的邏輯運行和判斷；若監測數據達到預設警報值之后，將能夠將警報的信息傳輸給警報單元；實現在排風系統和切斷試驗臺中對警報信息控制單元的利用。預警報警單元能夠將中央處理器傳輸的信息接收，并做出相關提示，讓實驗人員遠離試驗臺。反饋控制單元的輸入信號依據是中央處理單元進行邏輯判斷的結果，若超出預設值之后，則會反饋到排風系統和切斷供電電源。輸出接口單元將中央處理單元輸出的報警信息以及狀態接受，之后實現系統的擴展。

1.2.2 實驗園動植物配置

（1）實驗園的建設不僅僅需要各個子系統的完善，同時還需要合理配置一些動植物。在學校實驗園的建設中若存在盲目引種或者動植物配置方式不恰當，則會導致動植物生態適應性降低，以及增加維護費用，將其了動植物配置在實驗園中的生態服務作用。因此，選取的動植物在數量上必須依照實驗園的需求決定，且必須具備較高的美觀價值和生態效應，為學校實驗園的建設增添色彩。（2）學校實驗園動植物在配置好之后，便可采用物聯網系統進行控制，包括動植物所處的溫度和濕度，在全方位的實時檢測下實現對動植物的有效保護和控制。其中植物的種植可使用盆栽或者假植的方式，增強苗木移栽的便捷性以及成活率。（3）學校實驗園規劃需要結合學校自身辦學特點和周邊環境進行總結，盡量引進先進的設備和科學的實驗條件，遵循科學的規律進行設計。

2 實現效果

學校科學實驗園系統實現是通過Qt編程，從整體上看軟件同有兩大部分，即監控子系統和管理子系統，保護方式實施雙重密碼機制。在客戶端以及瀏覽器上輸入第一密碼身份認證之后，則可進入中控臺。其中的監控機制主要有以下幾點：

（1）無限傳感網絡監控窗體的切換采用的是Zigbee網絡監控菜單；（2）全局監控菜單能夠實現全局視角，從圖6中看，左側是科學實驗園的平面布局動圖，可使用鼠標電擊來觀看每一個區域，之后則可進入子區域的監控子窗口，右上是傳感器節點信息子窗口，對全局動圖中的傳感器圖標點擊之后，則能夠獲取該區域的所有傳感器監控信息，如果觸發了特定的報警傳感器，那么在整個傳感器子窗口中則會優先顯示出來。右下是視頻監控的子窗口，將被選中的攝像頭中的影像動態顯示出來；（3）藍牙設備的監控信息可通過藍牙網絡監控菜單所得；（4）整個科學實驗園的電力電子系統的監控是采用電力系統菜單實現；（5）視頻網絡監控菜單形成視頻墻，可以觀察到所有攝像頭的視頻，便于實施統一管理；（6）傳感器的狀態、門禁以及報警的所有信息都由監控日志菜單記錄，同時可以實現保存、分析以及采樣數據的功能。endprint

管理子系統的入口在監控子系統的下側，在輸入第二密碼之后便能夠進入其中，實現對內容的審閱和修改。

3 學校科學實驗園設計要求

學校科學實驗園的設計離不開對物聯網的需求。一旦實驗園中出現一些問題，如有毒氣體的泄露、實驗設備的故障以及植物的凋亡等等問題，都能夠通過物聯網實時監控的條件下及時進行處理。從上圖能夠看出，傳感器能夠及時發出警報和報警，為學生和教師創建一個安全的實驗園環境，從而進行有效的科學實驗，做出更大的成果。

4 學校科學實驗園系統的創新

4.1 安全管理模式

傳統的學校科學實驗園安全管理一般來說是人工監控或者創建相關安全管理制度。在這種模式下加大了實驗園教學人員的工作量，導致工作難度加大，在實驗過程中無法集中精力，導致出現一系列安全事故。在實施本系統的安全管理之后，全天24h都能夠對實驗園的情況進行全方位監控，嚴格的報警和預警設施創建了更加安全的實驗園環境。

4.2 實驗園安全監控技術

從當前大多數學校的實驗園安全監控技術來看，確實是一項重大缺失，大多數學校在建設實驗園時并沒有安全的監控設施，導致實驗園內一些有毒氣體、溫度、濕度在不合理的情況下也無從得知，而此系統的設計實現了對學校科學實驗園的安全監控的技術創新。

4.3 物聯網技術

學校實驗園監控的方式可通過客戶端電腦進行，也能夠利用移動智能收集，是數據的一種控制和交互，充分發揮了典型物聯網系統的作用。

4.4 動植物配置

傳統的學校實驗園更加注重的是科學技術的實驗，迫切得到更大的成就，而本次學校實驗園的建設從環境和生態上為學生和教師提供了更高服務，在物聯網技術的監控下保證了實驗園整體環境和溫度的適宜。

5 結語

綜上所述，物聯網作為世界信息產業發展的變革，更是當代互聯網技術的衍生。本系統充分發揮了物聯網技術，設計并研究了學校科學實驗園，在多個方位實現了對學校實驗園的合理開發以及監控，在保證教學工作人員自身安全的條件下，提升學校科學實驗成果；同時在合理的動植物配置下增強實驗園綜合性質，為整體實驗園的建設提供有效驅動力。本設計具備成本低、結構新穎、功能齊全的優點，同時穩定、高效，能夠合理完善學校科學實驗園的建設。

參考文獻

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Abstract：This article discusses the design and research of the school science experiment garden under the control of IOT technology， analyzes the problems that appear in the construction of the school experiment garden， and puts forward the design ideas of the school science experiment garden and puts forward the solutions to design the school science experiment garden Provide a valid basis.

Key Words：Internet of Things；Science Park；design；researchendprint