基于物聯(lián)網(wǎng)與云架構的實驗室監(jiān)督管理系統(tǒng)

肖華 王亞剛

摘要：針對實驗室智能管理方案， 為實現(xiàn)方便快捷的實驗室監(jiān)督設備，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務器的實驗室設備監(jiān)督控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運用基于MQTT的無線Wi?Fi模塊采集實驗設備數(shù)據(jù)，利用執(zhí)行終端節(jié)點控制實驗室設備，結合非阻塞式Node.js技術與MongoDB數(shù)據(jù)庫搭建物聯(lián)網(wǎng)服務器，將服務器部署在阿里云（ECS）服務器端，使用戶可通過Wi?Fi、4G在網(wǎng)頁端檢測和控制實驗室設備。將網(wǎng)頁與微信公眾平臺結合，進行智能交互，實現(xiàn)了實驗室、物聯(lián)網(wǎng)、微信平臺三者結合。實驗表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、成本低、靈活性強、實用性高，實現(xiàn)了實驗室設備的智能管理。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);云架構;實驗室管理;B/S模式;微信公眾平臺

Laboratory Supervision and Management System Based

on Internet of Things and Cloud Architecture

XIAO Hua， WANG Ya?gang

（School of Optical?Electrical and Computer Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：With the advent of the IoE era， the laboratory intelligent management scheme is implemented to realize convenient and rapid supervision of laboratory equipment， and a laboratory equipment supervision and control system based on the IOT and cloud server is designed. The system uses the MQTT?based wireless Wi?Fi module to collect experimental equipment data， uses the execution terminal node to control the laboratory equipment， and combines the non?blocking Node.js technology to build the IoT server with the MongoDB database.Finally， the server is deployed on the Alibaba Cloud （ECS） server side， and users can detect and control lab devices on the Web page through Wi?Fi and 4G. This article combines the Web page and the WeChat platform public number to realize the intelligent interaction with the WeChat public platform. Then the lab， the Internet of Things and the WeChat platform are combined. The whole system has been tested and has the characteristics of stable performance， low cost， high flexibility and high practicability， and realizes the intelligent management scheme of laboratory equipment.

Key Words：Internet of Things; cloud architecture; laboratory management; B/S mode; WeChat public platform

0?引言

實驗室是進行科研、教學最重要的場所，是科學研究的基地、科技發(fā)展的源泉，對科技發(fā)展起著非常重要的作用[1]。傳統(tǒng)實驗室具有管理方式相對落后、管理不便、遠程監(jiān)控缺乏、成本高等缺點[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代到來以及云平臺普及，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術的實驗室監(jiān)督管理系統(tǒng)能有效解決傳統(tǒng)實驗室監(jiān)管不便等問題[3?5]。物聯(lián)網(wǎng)的普及使智能家居得到了飛速發(fā)展，文獻[68]都提出了不同的面向智能家居的物聯(lián)網(wǎng)應用，但應用于實驗室設備管理的物聯(lián)網(wǎng)方案相對較少。文獻[9]研發(fā)了一種基于RFID、無線傳感網(wǎng)、嵌入式和Internet等物聯(lián)網(wǎng)技術的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。文獻[10] 設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID技術的計算機實驗室管理系統(tǒng)，使得整合計算機實驗室各種紛繁復雜的海量電子設備以及軟硬件系統(tǒng)成為可能。但是，以上研究并未真正考慮到低成本、靈活性、跨平臺的實驗室設備管理。本文基于物聯(lián)網(wǎng)和云架構技術，開發(fā)實驗室設備監(jiān)督管理平臺，可以通過電腦或者移動終端實現(xiàn)對實驗室設備管理和環(huán)境數(shù)據(jù)的查看與分析，將實驗環(huán)境的溫濕度、儀器開關量、顆粒濃度等參數(shù)傳到云平臺進行管理和分析，遠程監(jiān)控實驗室設備的開關量和實驗參數(shù)，還創(chuàng)新開發(fā)了基于微信公眾平臺的實驗室管理平臺，實現(xiàn)了靈活方便的實驗室管理。首先介紹系統(tǒng)軟硬件設計方案，然后對系統(tǒng)進行了相應測試，實驗結果能達到預先要求。

1?總體架構

基于物聯(lián)網(wǎng)與云技術，設計了面向實驗室的監(jiān)督管理系統(tǒng)，分為3個部分：硬件、云服務器和客戶端。硬件部分采用搭載Wi?Fi?ESP8266芯片[11]的最小系統(tǒng)板，通過UART串口進行通訊，Wi?Fi芯片通過連接互聯(lián)網(wǎng)從而接入云平臺，將實驗設備參數(shù)等數(shù)據(jù)實時傳遞到云端;服務器部分采用Node.js平臺，結合MongoDB數(shù)據(jù)庫與Socket IO通訊協(xié)議，搭建Express 框架的Web服務器。客戶端部分的測試平臺借助于微信公眾平臺，采用HTML5的B/S模式[12]，具有天然的跨平臺特性，使不同設備都能終端訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

2?硬件設計

硬件部分主要由微控制器、無線收發(fā)模塊、通訊串口模塊、電源模塊和時鐘模塊組成。硬件結構如圖2。

2.1?微控制器

如圖3所示，系統(tǒng)硬件集成Wi?Fi功能，還嵌入一個超低功率32位微型CPU，帶有16位精簡模式，可以通過IBus、DBus和AHB接口訪問存儲控制器。NodeMCU在ESP8266基礎上增加了一些外圍的USB串口電路。軟件上，NodeMCU引入了輕量化腳本語言Lua，支持事件驅動型API[13]。

2.2?無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)采用AI?Thinker公司開發(fā)的ESP8266超低能耗Wi?Fi模塊。該模塊集成IEEE802.11協(xié)議，支持無線802.11 b/g/n標準;內置TCP/IP協(xié)議，支持多路TCP Client連接;同時兼容3.3V與5V微處理器系統(tǒng)，采用串口與微處理器通信，微處理器可以通過串口輸入AT指令控制該模塊快速構建無線數(shù)據(jù)傳輸方案。

2.3?通訊串口模塊

通信串口采用RS?485[14]，兼容主流工業(yè)設備，RS?485接口采用平衡驅動器和差分接收器組合，抗共模干擾能力增強，抗噪聲干擾性好。只需要兩根通訊線，便可實現(xiàn)兩個或兩個以上設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4?電源模塊

由于無線傳輸模塊ESP8266需要3.3V供電，所以采用AMS1117?3.3型電壓轉換芯片為系統(tǒng)提供3.3V穩(wěn)壓電源，如圖4所示[15]。AMS1117?3.3是一個正向低壓穩(wěn)壓器，在1A電流下電壓降為1.2V，具有1%的輸出精度。同時，在電路輸入端、輸出端都加入了極性電容和旁路電容，該設計具有良好的去耦合和濾波作用，保證了電源電路的穩(wěn)定性。AMS1117內部集成有限流和過熱保護電路，可以防止環(huán)境溫度異常導致硬件損壞，可較為安全地應用于各種便攜式設備。

2.5?時鐘模塊

時鐘芯片采用PCF8563，為系統(tǒng)提供精確時鐘信息[16]。PCF8563有16個8位寄存器，其中包括一個可自動增量的地址寄存器、一個內置32.768KHz的振蕩器（帶有一個內部集成電容）、一個分頻器（用于給實時時鐘RTC提供源時鐘）、一個可編程時鐘輸出、一個定時器、一個報警器、一個掉電檢測器和一個400KHz的I2C總線接口。

3?軟件設計

系統(tǒng)采用B/S架構，實現(xiàn)了跨平臺性，將HTML網(wǎng)頁嵌入微信公眾平臺，實現(xiàn)了微信公眾平臺的設備管理。系統(tǒng)軟件設計分為設備感知層、服務器和系統(tǒng)應用層。其中，服務器包括MQTT服務器、Web服務器、靜態(tài)網(wǎng)頁服務器、微信消息服務器等。將服務器搭建在阿里云服務器上，并在各大服務器中采用ngnix負載均衡分發(fā)請求，從而使各大服務器更好地配合工作。系統(tǒng)軟件整體框架如圖5所示。

3.1?設備數(shù)據(jù)采集與傳輸

如圖6所示，采用通用串口RS?485與設備進行數(shù)據(jù)通訊，運用Arduino集成開發(fā)環(huán)境對Wi?Fi模塊進行編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。首先啟動Wi?Fi模塊的“AP模式”，掃描可用的Wi?Fi接入點，連接到Wi?Fi網(wǎng)絡。Wi?Fi模塊便可通過TCP/IP協(xié)議，將設備參數(shù)如溫度、濕度、顆粒濃度等循環(huán)上傳到MQTT服務器[17]。

3.2?MQTT服務器

消息隊列遙測傳輸 （Message Queuing Telemetry Tran sport，MQTT）協(xié)議是由IBM開發(fā)的基于TCP/IP的輕量級發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議[18]。MQTT的生態(tài)非常完善，支持多種語言開發(fā)，本文系統(tǒng)中采用Node.js搭建MQTT服務器，Node.js自帶mosca模塊可以快速搭建服務器，MQTT服務器負責設備、Web頁面、服務器之間的通信。搭建服務器的部分代碼如下：

var mosca = require（"mosca"）;

var server = new mosca.Server（

{ http： { port： 3000， bundle： true， static： './' } }）;

server.on（'ready'， function（）{

console.log（'mqtt server started'）; }）;

server.on（'published'， function（packet， client）{

console.log（'Published： '， packet.payload）; }）

server.on（'subscribed'， function（topic， client）{

console.log（'subscribed： '， topic）; }）;

3.3?Web服務器

設備上傳數(shù)據(jù)由MongoDB數(shù)據(jù)庫進行存儲并備份。為實現(xiàn)HTML數(shù)據(jù)的緩存效果，還用到了非關系型數(shù)據(jù)庫Redis，減少數(shù)據(jù)庫高頻次訪問，降低服務器壓力。瀏覽器端和數(shù)據(jù)庫通過Websocket協(xié)議與數(shù)據(jù)庫通信，它具有更輕量級的頭信息，提高了通信效率。為實現(xiàn)網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)動態(tài)請求與交互，運用PHP和Ajax技術，實現(xiàn)HTML無刷新加載。Web服務器原理圖如圖7所示。

3.4?靜態(tài)網(wǎng)頁服務器

網(wǎng)頁服務器通過HTML+CSS+Javascript 搭建人機交互界面。其中包含實時數(shù)據(jù)曲線圖、歷史數(shù)據(jù)曲線圖和設備控制界面圖。JQuery實現(xiàn)前端到后端的數(shù)據(jù)響應請求，數(shù)據(jù)圖表運用Highcharts圖表庫實現(xiàn)[19]。

3.5?微信消息服務器

調用微信JSDK的Airkiss接口配置設備Wi?Fi模塊[20]。為實現(xiàn)與微信公眾平臺的交互，如快捷查看設備狀態(tài)、設置設備參數(shù)等，搭建微信消息服務器，負責根據(jù)指定的業(yè)務邏輯對消息進行處理，響應服務器請求，并將響應消息反饋給用戶。

4?系統(tǒng)運行與測試

為實現(xiàn)對實驗設備的監(jiān)控管理，設計了實時查看設備數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)（一天前、一個周期前等）、在線控制設備、設備共享、設備定位、微信交互等功能。在實驗室路由器下用AirKiss配置設備聯(lián)網(wǎng)，然后進入控制設備界面。為了驗證系統(tǒng)可行性和性能，使用溫濕度控制器作為對象進行測試。 如圖8所示，前兩張圖為實時查詢熱電偶溫度值和曲線，后兩張圖為在線控制現(xiàn)場對比，在線設置溫度為45℃，上位機即可調成45℃，在線設置運行時間為2min，上位機從零開始計時，基本無誤差，實時性強。

5?結語

本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的實驗室設備管理系統(tǒng)，能夠在不安裝任何客戶端的情況下，使用不同設備都能終端訪問系統(tǒng)，讓用戶可以遠程管理實驗室設備。但是仍然有待改進，比如隨著5G和高帶寬網(wǎng)絡普及，可加入視頻監(jiān)控功能。若結合人工智能和最新網(wǎng)絡技術對此進行深入研究，將會給用戶帶來更好的控制、監(jiān)測體驗。

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