基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃雅婕，張秀山，史蓓蕾

(海軍工程大學(xué) 計算機工程系，武漢 430033)

0 引 言

1999年，Kevin Ashton教授首次提出了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念，他指出IoT是采用射頻識別技術(shù)(Radio-Frequency Identification, RFID)唯一可辨識、可共同使用物體與物體相互連接的信息網(wǎng)絡(luò)。然而，IoT的準(zhǔn)確定義隨著前景的發(fā)展不斷改變。IoT一般定義為：自我配備基于標(biāo)準(zhǔn)和可共同操作的通信協(xié)議的動態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；在IoT中，現(xiàn)實和虛擬物品都擁有身份與屬性，且可使用智能接口和集成為信息網(wǎng)絡(luò)[1-2]。隨著條形碼、智能傳感、近場通信和云計算等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸運用到環(huán)境監(jiān)測、智能家居和電網(wǎng)等，它使得信息在彼此關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)間進行共享，提高了系統(tǒng)的可靠性、有效性和持續(xù)性[3]。

近年來，高校實驗室管理缺少有效的監(jiān)測和感知手段，導(dǎo)致實驗設(shè)備、環(huán)境信息和人員監(jiān)管效率低下，實驗室自動化和智能化水平不高[4-5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室信息管理和智能監(jiān)控系統(tǒng)變得現(xiàn)實可行[6-10]。文獻[11]中針對環(huán)境感知和收集缺失、設(shè)備無法遠程控制等不足，提出一種實驗室綜合管理系統(tǒng)。文獻[12]中主要從信息管理和自動監(jiān)控角度設(shè)計和實現(xiàn)了實驗室管理系統(tǒng)，并對各個子模塊功能進行了測試和驗證。針對當(dāng)前實驗室外界環(huán)境信息無法實時監(jiān)測和響應(yīng)，本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)，通過光纖環(huán)網(wǎng)方式，將RFID、紅外報警視頻、實驗室水電消耗情況等信息上傳至中央服務(wù)器，組成一個C/S架構(gòu)[13]，形成集中控制模式。設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗室資源可視化共享與管理，根據(jù)中央服務(wù)器生成的報表、曲線和數(shù)據(jù)包等可進行后續(xù)分析和查證。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)設(shè)計的原理示意圖如圖1所示。基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)分為3個層面[1]：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為感知層，由ZigBee[1-2,14-16]、光纖環(huán)網(wǎng)組成的通信鏈路為網(wǎng)絡(luò)層，中央服務(wù)器及其上位機為應(yīng)用層。為有效監(jiān)控實驗室基礎(chǔ)設(shè)施，如電能表、水流表和實驗室儀器設(shè)備等，避免能源浪費和維護實驗室安全穩(wěn)定，分別對水流量、電量和視頻數(shù)據(jù)采集，利用光纖環(huán)網(wǎng)、ZigBee技術(shù)和超5類網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器。其中，由光纖交換機組成的光纖環(huán)網(wǎng)將感知層的信息轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信息，具有可擴展性大、系統(tǒng)穩(wěn)定性強的特點。在中央服務(wù)器上，利用組態(tài)軟件讀取監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)和生成報表記錄。而對于門禁管理系統(tǒng)模塊，它對人員出入進行安全控制并記錄簽到情況。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為驗證功能的可靠性與完整性，分別在5個實驗室機房安裝了自動識別光纖且?guī)Ъt外報警功能攝像頭。在各機房和總電房加入1路電能表。在洗手間內(nèi)加入水流量計。中央服務(wù)器位于控制室內(nèi)，里面設(shè)有中央控制柜，以及工控機操作臺。1路RFID及M1卡在中央控制柜內(nèi)。控制柜內(nèi)設(shè)有硬盤錄像機、PLC、RFID和光纖交換機等電氣設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊部分可視為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，它實現(xiàn)對環(huán)境、水電、門禁和實驗人員等信息采集功能。根據(jù)實驗室管理需求，系統(tǒng)采集的外部環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括電量、水流量和視頻等，數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)街醒敕?wù)器后，對數(shù)據(jù)進行顯示和分析處理。

2.1 電量采集

電量監(jiān)測的功能主要是獲取實驗室的用電情況，① 生成報表及按照需求統(tǒng)計用電情況，② 實時監(jiān)測并對實驗室用電突發(fā)情況做出處理。為達到此目的，在實驗室中裝有專用電能檢測電氣箱，通過互感器將電氣箱中的電流信號傳至電力儀表，這就完成了常規(guī)電能信號的采集。

在電力儀表端，通過自帶的RS-485串口協(xié)議傳送至ZigBee模塊。在此，考慮到ZigBee技術(shù)低功耗、低成本和可靠性、擴展性優(yōu)點，因此，適合多個實驗室電量無線傳輸?shù)那闆r。在ZigBee終端，將數(shù)據(jù)編碼以符合電能表通信所需的波特率、校驗碼、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位等。ZigBee協(xié)調(diào)器自帶協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，將通信轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議格式，通過路由器進入光纖環(huán)網(wǎng)。

2.2 視頻采集

系統(tǒng)設(shè)置有多個獨立視頻監(jiān)控節(jié)點，利用紅外攝像頭及客戶端軟件實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸，如圖2所示為傳輸過程示意圖。在上位機，即視頻信息集成中心部分，一方面將初始化參數(shù)分發(fā)給各個獨立視頻節(jié)點，另一方面利用組態(tài)軟件通過訪問各自IP地址，以達到訪問監(jiān)控畫面的目的。

圖2 獨立節(jié)點與集成中心視頻數(shù)據(jù)傳輸

視頻數(shù)據(jù)完成采集后，集中送至集成中心統(tǒng)一處理。首先，視頻信號傳入到中央控制柜交換機內(nèi)，集成后均為電口。接著，利用光纖交換機轉(zhuǎn)為光口進入光纖環(huán)網(wǎng)。為了能夠在后期調(diào)用歷史數(shù)據(jù)回看，利用硬盤錄像機在同一網(wǎng)段內(nèi)訪問并記錄各攝像頭數(shù)據(jù)。

2.3 水流量采集

水流量采集與處理主要實現(xiàn)了實時監(jiān)測實驗室用水安全情況，主要由流量計構(gòu)成核心功能模塊。系統(tǒng)中，在兩個洗手間管道上配有旋進漩渦流量計。如圖3所示為設(shè)計原理圖，旋進漩渦流量計是種自動計量型流量計，單孔流量可實時監(jiān)測水流變化，并在監(jiān)控界面顯示。在檢測到水流量后，流量計上的DAC電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電流信號的模擬量約4～20 mA，換算為水流約0.6～6 m3。為能遠程讀取流量計的數(shù)值，將變送電流送至采集儀表。在采集儀表中，采集的流量數(shù)據(jù)傳至PLC控制器主站，通過串口服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PPITCPIP協(xié)議，進入光纖環(huán)網(wǎng)。

圖3 旋進漩渦流量計的水流量采集

2.4 門禁信息采集

門禁系統(tǒng)采集器利用RFID射頻技術(shù)識別目標(biāo)并獲取其相關(guān)信息。門禁采集系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：標(biāo)簽，讀卡器和天線，其中標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；讀卡器是讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備；天線則在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。

門禁采集的工作流程如圖4所示，一旦裝有RFID技術(shù)的讀卡器檢測到一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽信號，即與上位機中的出入數(shù)據(jù)庫中的信息比對。當(dāng)數(shù)據(jù)滿足條件時，發(fā)送命令給PLC控制相應(yīng)設(shè)備。與傳統(tǒng)的接觸卡片式門禁采集系統(tǒng)相比，設(shè)計的系統(tǒng)避免了繁瑣的人工操作，更加智能化。

圖4 門禁采集系統(tǒng)工作流程圖

3 通信鏈路和上位機管理

通信鏈路和上位機在系統(tǒng)中分別擔(dān)負著網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的角色，其中通信鏈路提供監(jiān)測設(shè)備與中央服務(wù)器的通信連接，上位機負責(zé)對數(shù)據(jù)的采集和人機交互的實現(xiàn)。

在設(shè)計中，通信鏈路主要采用光纖環(huán)網(wǎng)的方案。使用多個交換機以及電口轉(zhuǎn)光口設(shè)備，將各類信號轉(zhuǎn)為電口以太網(wǎng)后，再轉(zhuǎn)為光口。在網(wǎng)絡(luò)任何位置均能訪問其他節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大大地增加了系統(tǒng)的擴展性。接著，將所有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP形式，再利用光纖收發(fā)器將所有以太網(wǎng)設(shè)備連接起來，組成光纖環(huán)網(wǎng)。而在各個子模塊，根據(jù)不同設(shè)備采用不同工業(yè)協(xié)議，如AIBUS通信協(xié)議，MODBUS協(xié)議等。

上位機則為三層結(jié)構(gòu)，分別為用戶界面(User Interface, UI)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。上位機架構(gòu)程序主要采用基于MVC模式結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，MVC模式分為3個部分：模型(Model)、視圖(View)和控制器(Controller)。本系統(tǒng)中，將光纖環(huán)網(wǎng)來的各模塊數(shù)據(jù)、輸出顯示界面和中央服務(wù)器的處理與控制作為MVC的衍生模式，以C++語言編寫MFC作為主界面和控制器。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

如圖5所示為搭建的基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理硬件平臺。在實際印證過程中，在計算機陳列室、計算機組成原理室和微機原理與接口室等5處實驗室均接入了電能表和攝像頭，在2個洗手間內(nèi)加裝水流量計。在獨立的中央控制室內(nèi)，放有中央服務(wù)器及PLC、RFID、光纖交換機等設(shè)備。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)實驗室硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

軟件功能實現(xiàn)，如圖6為顯控主界面所示，主要從電能、水流量監(jiān)測，安防監(jiān)控系統(tǒng)和出入管理系統(tǒng)幾個功能分別進行調(diào)試。以出入管理系統(tǒng)為例，它涉及到數(shù)據(jù)庫、PLC和界面編程。首先需要對卡授權(quán)以“允許進入”，并錄入相關(guān)人員信息到門禁管理數(shù)據(jù)庫中。在軟件界面中，可實時檢測到人員進出，且可回看出入記錄。當(dāng)遇到非法闖入或無效卡時，系統(tǒng)自動報警并記錄異常事件。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)實驗室管理軟件界面

5 結(jié) 語

著眼于當(dāng)前實驗室管理的不足，設(shè)計和實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化管理系統(tǒng)。根據(jù)實際需求，分別對3個層面不同模塊的功能和設(shè)計原理進行了說明，重點詳述了感知層的采集系統(tǒng)。最后對系統(tǒng)的功能進行了介紹，印證了提出的方案的可行性。該系統(tǒng)對實驗室實現(xiàn)更加精細化管理，且在資源配置和便捷管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。下一步將引入更多的實驗室元素到該系統(tǒng)中，做更全面的應(yīng)用擴展。