基于物聯網的開放實驗室管理系統設計

柳春曉+柴雷剛+楊旭+楊斐+呂寧+鄭齊操

摘要： 關鍵詞： 中圖分類號： 文獻標志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0114-03

Abstract： The open laboratory management system based on Internet of Things could realize the laboratory environment monitoring， from the temperature and humidity， light intensity， flammable gas and other aspects， so that the laboratory members can comfortably study in the laboratory. Firstly， by using radio frequency identification technology to achieve the checkin， access control function and the recording function of instrument equipment， the system not only ensures the safety of the laboratory anti-theft， but also automatically records the attendance of the laboratory personnel， reducing the inconvenience of manual recording information； besides， also records the use of laboratory equipment， effectively avoids the equipment loss. Next， the system can further remotely control the windows， lights， and so on， to facilitate the life of laboratory personnel； The data collection， transmission and processing between each module are completed by using ZigBee， various sensors and single chip microcomputer. After that， the research uses PC as the host computer， realtime records and displays the environmental information of the laboratory， therefore uploads data to Http server through ipv6 protocol. It is determined that every device can access the reasonable distribution position of the station by visiting the designed ipv6 website. The design of the system not only satisfies the needs of students for the realtime open laboratory， but also reduces the burden of laboratory management， and meets the open design requirements.

0引言

隨著高校實驗室開放功能的發展確立，越來越多的學生也選擇在課余時間進入實驗室來學習一些專業技能，導致實驗室的人員不斷增多，人員的流動性也隨即攀升，實驗室在管理方面的工作量日趨繁重。這就要求實驗室引入新的管理模式，來減輕實驗室管理的負擔和成本。現在大多的實驗室都是采用人工管理為主的方法，要改進已經建成的實驗室管理，采用物聯網技術就是一個良好有效的解決方案。

物聯網是指通過射頻技術（RFID）、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，把任何物品與因特網連接，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，在物聯網中，物與物、物與人之間是能夠相互通信的。綜上分析可知，物聯網的特性則能全面解決開放型實驗室管理過程中存在的問題，也能使數據信息的交換和通信更加穩定，并且物聯網技術已經在多個方面得到了突破性進展，對于實驗室的管理與發展也提供了一個有利契機及選取模式。基于此，本次研究即將物聯網技術融進了開放實驗室管理系統的建設實踐中，設計論述內容可具體展開如下。

1系統架構

該系統主要分為如下部分：環境信息檢測模塊、簽到門禁模塊、單片機控制系統、物聯網信息交換模塊、設備借還自動記錄系統、遠程控制模塊、上位機信息處理顯示模塊。其中，環境信息檢測模塊包括溫度、濕度、燈光等信息的檢測和采集。簽到門禁模塊通過射頻識別卡進行身份驗證，來規范統籌實驗室成員的簽到記錄和實驗室的安全保障工作。單片機控制系統和物聯網模塊共同實現各個部分之間的控制和通信。設備借還記錄系統通過射頻識別和物聯網聯合構建而成，能夠完整地記錄每個設備的借還信息。遠程控制模塊主要由物聯網來遠程控制窗戶、燈光的開關。上位機用PC機來支持系統功能設定，使各部分的數據可以被管理員實時查看，本系統的總體結構可如圖1所示。

2遠程節點設計

2.1門禁與簽到模塊設計

門禁與簽到模塊是實驗室管理的基礎組成部分，主要由物聯網、單片機、上位機和射頻識別構成。其中，射頻識別是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據。利用這一特點，可為每位實驗室成員發放一專屬成員卡，并且各成員卡均將發出不同的的電訊號，通過檢測無線電信號的不同頻率，來讀取不同的成員信息，判斷信息是否有效后將信息通過物聯網傳送到單片機進行數據處理，再由上位機給出結果展示。研究可得，針對門禁與簽到信息的錄入環節，設計模塊的執行流程如圖2所示。endprint

2.2環境監測模塊設計

實驗室環境檢測模塊設計也將成為本次實用研究的重點內容。該模塊在操作研發上，可以定時檢測室內溫濕度、光照強度和可燃氣體濃度，并按照設定值提供自動調節。當可燃氣體檢測超標時就會發出警報，環境檢測模塊的結構組成如圖3所示。

由圖3可見，環境監測模塊中各部分的功能解析可分述如下：

1）溫濕度檢測。溫濕度檢測使用了DHT11溫濕度傳感器，這是一款自帶已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。可以將傳感器擺放到實驗室中的多個位置，定時將采集的溫濕度信息由ZigBee發送到單片機，單片機將采集值與設定值做出比較，從而自動選取調節溫度或打開加濕器等操作。

2）光照強度檢測。人的眼睛由于瞳孔的調節作用，對于一定范圍內的光輻射都能適應，但如果光輻射過強，就會對人們的正常生活和工作帶來不利影響，并在一定限度上損害人體健康。為了避免如上研究問題，這里使用TEMT6000環境光傳感器來實時檢測實驗室內的光照強度，當環境光亮度超標時，會及早提醒實驗室人員調暗燈光。

3）可燃氣體檢測。各類實驗室中都會配備使用到一些酒精、化學試劑等物品，這就容易產生一些可燃性氣體，當實驗室內可燃性氣體濃度過高時極易發生火災。研究可知，MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷、液化氣的靈敏度較高，可以支持檢測多種含一氧化碳及可燃性的氣體，是一款適用于廣泛背景場合的低成本傳感器。這里使用MQ-9傳感器，實時檢測室內可燃性氣體濃度，當濃度超標時會發出警報并自動打開窗戶，能夠有效預防火災的發生。

2.3遠程控制模塊設計

遠程控制模塊的設計主要是為了智能化的便捷操作。例如，學生在離窗較遠的地方想要開窗，將無需起身，只要通過遠程控制，將開窗指令通過物聯網發送到控制窗戶的舵機就可打開窗戶。另外，燈光由物聯網控制繼電器來調節，窗簾由物聯網控制電機來實現，還可根據需要任意加入其他設備。遠程控制模塊的設計結構如圖4所示。

2.4設備借用模塊設計

開放實驗室的管理工作中，必須正視的一個關鍵問題就是如何保障借出的設備不致丟失。為解決此問題，這里主要使用了射頻識別技術，為每臺設備中裝入一個RFID標簽，如此處理后，每臺設備就相當于有了特定的“電子身份證”。借出時，利用學生一卡通認證后，即可將借用者信息記錄下來，當設備歸還后再將借用記錄自動清除。全程無需人工記錄，不僅省時省力，還不會出現環節記錄錯誤。研究給出設備借用流程如圖5所示。

3物聯網網絡層設計

MCU與Linux電腦之間通過串口協議建立交互，MCU將傳感器的數據發送到Linux電腦，Linux端電腦通過如下指令開啟http服務器：sudo service apache2 start。

網頁服務器成功開啟后，實驗室監控數據可以發布到公網上，從而可為跨平臺多終端設備提供訪問。安卓、IOS等操作系統的設備只要打開瀏覽器，輸入Linux電腦的IP地址，即可查看物聯網實驗室的實時數據。

Http服務器采用TCP/IPv6協議，擁有一個128位全球唯一的IP地址，由于ipv4地址緊缺，大部分ipv4網絡都使用了NAT技術，基于此內網設備就都沒有獨立的公網IP。

本系統網絡層采用ipv6突破內網封鎖，不同網段的設備都可以通過這個全球唯一的ipv6地址訪問到系統。

物聯網是本次研究設計的通信中樞，將遠程節點的數據通過物聯網控制接收，并將接收到的數據發送到MCU，MCU對數據進行處理和分析后再通過物聯網送回遠程節點，完成動作。簡單來說，就是為遠程節點和MCU搭建一個無線的通信橋梁。4物聯網應用層設計

過程中，由于該系統采用了Http服務器，因此也采用了超文本標記語言HTML5研發網頁程序，并使用css編寫網頁前端，利用Javascript編寫網頁交互程序，最后通過Python腳本鏈接到Mysql數據庫，記錄整理并得到了網頁運營日志。

5結束語

實驗室是當今高校建設的重要組成部分，隨著科學的進步，開放和智能已然成為日后實驗室的發展方向。

在前期的調研過程中，發現一些高校實驗室的管理水平仍屬初級，并且實驗室資源浪費嚴重。針對這一現狀，本次設計通過物聯網與射頻識別技術的聯合使用，實現了開放實驗室的智能管理，有效地解決了部分實驗室存在的人員記錄、儀器借用和改造布線難等問題，優勢合理地利用了實驗室資源，從而大幅提升了設備的利用率。

參考文獻：

[1] 夏春琴. 基于RFID的高校實驗室管理系統設計與實現[D]. 蘇州：蘇州大學，2013.

[2] 劉媛媛. 基于RFID+Zigbee技術的開放型實驗室管理系統設計[D]. 南京：南京郵電大學，2011.

[3] 陳素琴. 物聯網數據采集系統統計[D]. 南京：南京郵電大學，2011.

[4] 朱洪波， 楊龍祥，朱琦. 物聯網技術進展與應用[J]. 南京郵電大學學報（自然科學版），2011，31（9）：1-9.

[5] 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.

[6] 王為，王春潮，李小昱，等. 關于開放式實驗室建設的思考與探索[J]. 實驗室研究與探索，2009，28（4）：272-273，276.

[7] 盛希寧，顧濟華. 基于ZigBee無線傳感器網絡的實驗室監控系統設計[J]. 電子工程師，2007，33（9）：67-69，73.

[8] 昂志敏，金海紅，范之國，等. 基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現[J]. 現代電子技術，2007（10）：47-49，57.

[9] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[10]曾銳，徐朝軍. 開放實驗室管理理念及實現[J]. 實驗室研究與探索，2002，21（3）：108-109，112.

[11]畢立祥，杜守旭. 加強儀器設備管理，提高設備使用效益[J]. 實驗室研究與探索，2001，20（5）：124-126.endprint