基于物聯網的實驗室設備監控系統設計

河北大學電子信息工程學院 孫文博 趙曉軍 田糧川

0 引言

實驗室是學生、教師、科研人員等進行學習與科研實驗的重要場所。當前高校的實驗室大多存在儀器昂貴但使用率不高，實驗儀器設備監管落后等問題[1-2]。因此實驗室設備監控系統的建立可以有助于學校對實驗室進行科學，系統的管理以及方便師生進行科研時儀器設備的使用。本文針對實驗儀器設備運行情況，設備操作者以及實驗室內環境等實驗管理問題設計了一種實驗室設備監控系統。

1 系統總體方案

由于設備的使用情況存在不確定性，因此設備監控是一個長期連續的監控過程。為達到對數據的實時采集，傳輸、顯示可將實驗室設備監控系統劃分為三部分即實驗室數據采集控制終端、數據處理終端和云平臺。圖1為實驗室設備監控系統總體框圖。實驗室數據采集控制終端主要包括：終端控制板，WiFi通信，數據采集，控制模塊等。數據處理終端利用WiFi模塊構建星型網絡結構，實現數據的接收、處理與打包并通過網絡將數據傳輸到云服務器。云平臺主要包括云服務器，PC端與手機端。設備管理人員可通過PC端或手機端可隨時查看上傳到服務器的數據，從而知道設備的使用情況。

圖1 實驗室設備監控系統總體框圖

2 數據采集控制終端與數據處理終端

2.1 終端控制板

數據采集控制終端的整體結構框圖如圖2所示。該終端利用ATMEGA128單片機為主控芯片，對終端上的各個部分進行連接與控制。在終端上配置了存儲芯片（EEPROM）對系統初始化的參數進行存儲，如路由器信息，云服務器地址，設備ID等。在終端加入了語音模塊進行設備狀態播報以及報警等。此外還配置了無線模塊接口，繼電器模塊，電源模塊接口，溫度采集模塊等與終端上的其他模塊相連。

圖2 終端控制板整體結構框圖

2.2 電流采集模塊

設備的啟動、工作、待機等不同狀態會對應不同的電流值，設備停止時不會有電流流過電源。因此可使用電流互感器可作為工作情況的檢測裝置。本設計采用HCT502-A穿心式電流互感器對儀器設備的工作電流進行檢測。電路原理圖如圖3所示。當電源線有電流時會產生磁場且磁場強度與電流的大小成正比。電流互感器接有運放、電容、電阻等電子元件將電流進行放大與測量。由于電流不易測量因此本次設計根據歐姆定律將電流轉化為電壓進行測量[3-4]。

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊是采集控制終端與數據處理終端以及數據處理終端與云平臺之間通信的橋梁。WiFi模塊通訊為無線通訊方式。采用無線通訊可使系統安裝更加方便，避免了有線通訊布線時的困擾。本次設計采用的模塊是HLK-RM04無線模塊。它是一款價格低廉的嵌入式無線通訊模塊，并且內置了 TCP/IP 協議棧。1個數據處理終端與多個采集控制終端采用星型拓撲結構進行通信實現數據的集中處理與傳輸，可變向增加系統的負載能力也有利于故障的檢測與隔離。用WiFi模塊進行通信采用的是URAT協議主要包括以下幾個部分：幀頭、數據長度、采集控制終端編號、數據內容、數據校驗位。

2.4 RFID信息采集模塊

圖3 電流互感器工作原理圖

系統設計了RFID信息采集部分進行操作人員的信息采集，以便于更好的對實驗室儀器的使用情況進行記錄。通過RFID技術可以有效的判斷是否有操作人員，無操作者時設備電源關閉，設備無法啟動。當操作者將射頻卡放到讀寫器，讀取數據信息后系統根據使用者的權限情況進行判斷是否可以操作該設備，降低事故發生概率。利用RFID對芯片信息讀取時采用沖突檢測，選卡，密碼，數據的奇偶校驗的程序設計來提高讀取數據的準確度。

圖4 數據采集控制終端流程圖

2.5 數據采集控制終端軟件設計

數據采集控制終端流程圖如圖4所示，初始化后測試數據采集控制終端與數據處理終端是否可以正常通訊。數據采集控制終端收到啟動命令后啟動程序對設備操作者的標簽芯片進行檢測，有權使用設備后繼電器線圈導通觸點閉合對設備進行供電。測量溫度是否在閾值區間以內，偏離時斷開繼電器并進行報警。溫度正常時利用AD采集檢測設備的工作狀態。該終端將數據顯示的同時傳輸到數據處理終端。程序在返回到RFID檢測，重復以上過程實現對儀器設備使用狀況的實時監測。

3 云平臺

研究人員利用云平臺在對數據進行分析和處理時可以更方便快捷，同時用戶可以通過電腦、手機等客戶端通過云平臺可以對現場的檢測終端以及控制終端進行實時的監測和控制。

本文設計的云平臺為樂為物聯平臺。該平臺可以快速組建物聯網應用，并對上傳數據進行存儲、分析、查詢等也可以下發數據實現數據的雙向傳輸。在云平臺建立賬戶，并添加設備，傳感器、控制器等相關數據參數。樂為物聯與數據處理終端之間利用互聯網采用TCP通信協議進行數據通信[5]。

4 測試及結果

為了測試實驗室設備監控系統的可靠性，測試了設備在正常溫度環境下的工作情況如圖5所示。OLED顯示屏上顯示了RFID檢測到實驗員信息，采樣電壓，設備狀態以及環境溫度。利用WiFi把數據傳輸至數據處理終端。

此外還對溫度傳感器周圍進行加熱對環境溫度過高進行了語音報警測試。數據處理終端對數據進行打包整理后發送到云平臺，并通過手機端對上傳數據進行實時觀測如圖6所示。利用PC端實現了對實驗室設備供電的遠距離控制，PC端界面如圖7所示。

圖5 數據采集控制終端工作實物圖

圖6 手機端數據查詢圖

圖7 PC端遠程控制界面

5 結束語

與傳統的監控系統相比，該系統通過RFID、WIFI通信、AD采集，物聯網等技術的組合完成了數據處理終端與采集控制終端以及云平臺的設計。三者之間采用無線通訊避免了有線通訊的繁瑣有利于各個終端的安裝與移動。同時利用手機與PC機實現了系統遠程控制與數據的實時監測。系統除了適用于實驗室可應用于車間、商場等用電設備的監測與控制。隨著社會的發展以及實驗室管理制度的完善實驗室設備監控系統必然會得到廣泛應用。

[1]韓世巖,李淑君,劉志明,韋雙穎.實驗室管理在教學科研中的實踐作用[J].廣東化工,2016,43(19)：197-198.

[2]韓方珍,俞守華,方永美,徐東風,肖媚燕.基于物聯網技術的實驗室管理系統設計[J].實驗室研究與探索,2015,34(12)：238-240+259[2017-09-04].

[3]申軍濤.基于RFID/ZigBee實驗室設備遠程監控系統的設計[D].河北大學,2014.

[4]馬瑾.電流互感器監測終端研究[D].華北電力大學,2016.

[5]夏蕓蕓.基于樂聯網云平臺的物聯網的研究及實現[D].蘇州大學,2016.