基于“互聯網+”的實驗室智能管理系統的設計與實現

黃鴻鋒

摘要：針對傳統人工進行實驗室管理存在需要實驗室管理人員多，管理人員無法及時掌握實驗室情況，出現忘記關電、關窗造成電源浪費和設備損壞等情況，基于“互聯網+”，綜合運用網絡通信技術、物聯網技術、自動化控制技術和軟件技術，設計開發實驗室智能管理系統。管理人員通過系統可及時掌握實驗室的實時情況，實現實驗室的智能化管理，更好發揮實驗室作為學校科研和人才培養重要平臺的作用。

關鍵詞：互聯網+;實驗室;智能化管理;Android;Socket

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0235-03

1背景

隨著計算機網絡技術、智能控制技術和物聯網技術的發展與廣泛推廣應用，綜合利用各種技術和計算機軟件的智慧管理已廣泛應用于智慧交通、智慧農業、智能家居等各個領域。實驗室作為高校重要的教學和科研平臺，是保障學校正常教學開展和科研社會服務的基礎，而在傳統的實驗室管理中，主要是設置相應的實驗室管理崗位，專人進行實驗室的管理，但隨著高校的擴招，高校的實驗室及實驗室的設備不斷的增加，由于實驗室崗位人數的限制，致使實驗室管理人員無法做到對實驗室的精確管理，出現實驗室管理人員無法及時掌握實驗室情況，出現忘記關電、關窗造成電源浪費和設備損壞等情況，造成學校財產損失的同時還無法保障學校正常教學和科研社會服務，影響學校的發展，針對以上情況，基于“互聯網+”技術，設計開發實驗室智能管理系統，管理人員通過系統可及時實時掌握實驗室的情況，實現實驗室的智能化管理，更好發揮實驗室作為學校科研和人才培養重要平臺的作用。

2系統架構和整體方案設計

基于“互聯網+”技術設計實現的實驗室智能管理系統，從功能上把實驗室智能控制系統分為兩部分：分別是Android手機監控軟件平臺和數據采集終端及控制。數據采集和控制主要利用窗簾電機來實現窗簾開關，窗戶電機實現窗戶的開關，電器控制實現實驗室照明系統，傳感器監控實驗室溫濕度;An-droid手機監控軟件平臺通過對數據采集和控制端發送指令實現實驗室的智能控制，主要包括登錄模塊、開關控制模塊、照明控制模塊、窗戶和窗簾控制模塊。系統兩大模塊，Android手機監控軟件平臺通過GPRS數據流量或者WIFI連接到云端服務器，數據采集和控制端通過網絡技術連接到云端服務器，同時通過WIFI連接到數據采集和控制端，系統總體框架如圖l所示。

由智能控制和網關等設備組網形成底層無線傳輸網絡，數據采集終端安裝于實驗室現場，利用信道網絡實現節點與協調器間的信息傳輸;對ZigBee節點的接口編程，對傳感設備進行控制，實現實驗室環境數據的采集與控制，達成實驗室的智能控制。

為實現系統在整個互聯網上運用，實現管理人員無論在何地，只要有網絡即可利用系統實現實驗室的管理，利用云端服務器將系統在互聯網上部署，實現系統網絡應用。通過端口映射將外網主機IP映射到內網提供服務。用戶訪問云端服務器對應的端口時，自動將請求映射到內部主機，然后在服務器上安裝JAVA環境，并將服務器程序上傳到云端服務器。在手機客戶端和信息機OT程序添加云端服務器的IP地址和端口映射端口號即可。

實驗室溫濕度數據的采集通過溫濕度控制模塊處理。通過編寫程序指令控制開發板，從而控制電機的轉動方向和動作，實現窗戶、窗簾和風扇的開關。多功能顯示版模塊控制開發板發送指令，實現照明和空調的開關。通過以上功能實現實驗室的智能管理。

3實驗室智能管理系統功能實現

3.1通信模塊

針對本實驗室智能管理系統，基于Andriod對TCP協議有很好的支持，TCP協議是一種面向連接的傳輸控制協議，具有面向連接、可靠性、準確性強和全雙工的特點。基于系統使用的可靠性，通信傳輸協議選擇TCP協議。TCP協議通信實現具體過程：首先客戶端向服務器發送SYN包，并進人SYN_SEND等待服務器確認狀態，服務器收到SYN包確認后向客戶端返回一個SYN包，同時服務器進入SYN-RECV狀態，當客戶端收到服務器返回的SYN包向服務器發送ACK確認包，服務器收到ACK確認包后客戶端與服務器即建立了有效的通信連接。TCP協議工作方式具體過程如圖2所示：

Socket是支持TCP/IP協議的網絡通信方式，通過Socket編程可為其他應用協議的提供通信。本實驗室智能管理系統移動端與服務器端的通信采用Socke通信方式實現，具體過程是創建Socket對象，打開通信輸人輸出流。Socket通信包括面向連接的Socket通信和無連接的Socket通信，面向連接的Socket通信首先要啟動服務器，通過Socket0函數調用Socket對象，其他其次通過Bind（）函數綁定本地網絡IP地址和Socket對象，然后調用listen0函數使Socket對象處于偵聽的狀態。

Socket服務器通過網絡服務客戶端的請求和數據的收發處理，利用JAVA語言實現Socket服務器，客戶端通過IP地址和端口號與服務器建立請求連接和數據收發。Socket客戶端對象使用Android實現，并與服務器IP和端口綁定，實現阻塞的acceptfl函數實現服務器等待客戶端接入，當雙方IP與端口匹配成功后，雙方則建立了有效的連接，客戶端調用read0和writeO函數進行數據收發。服務器和客戶端Socket通信實現流程如圖3所示。

3.2登錄模塊

系統用戶輸人管理人員分配的用戶名和密碼即可登錄系統，登錄后系統自動載入主界面，用戶通過系統主界面的功能按鈕即可快捷地對實驗室進行控制管理。系統登錄流程圖如圖4所示，系統登錄界面如圖5所示。

系統登錄成功后跳轉到實驗室智能管理功能控制主界面，如圖6所示，在功能控制度界面上有控制實驗室的功能面板，如窗戶、窗簾、溫度、照明和空調等。點擊對應的功能控制按鈕實現對應的設備操控，方便管理人員使用。

3.3開關控制模塊

要實現控制實驗室中窗戶、窗簾的開關，需要開關控制繼電器實現，系統中窗戶、窗簾等的開關控制利用繼電器控制實現。本模塊通過網絡實現遠程獲取和控制實驗室窗戶、窗簾等的開關。開關控制模塊是實驗室控制管理所有開關操作設備打開和關閉的集合，管理人員點擊對應的開關，Android手機監控軟件平臺發會遠程發送相關指令給對應的設備和數據采集終端，對應的設備接收到指令后就會執行命令動作改變對應的狀態，并將采集的開關終端狀態數據傳輸到移動端。應用程序會實時獲取開關的狀態并刷新顯示。用戶也可以通過開關控制按鈕實現開關的控制。開關控制模塊底層硬件實現由Zig-Bee主控制模塊收到由從控制模塊傳送的信息后，智能家居信息機控制系統進入接收信息狀態;在接收完數據后主控模塊切換到發射模式，返回反饋的信息。CC2530將接收到的數據傳送給信息機，經處理后在顯示家居設備的狀態，同時啟動監控系統，數據寫入內存，通過信息機的網絡接口與無線路由器相連，內存數據通過網絡上傳到指定服務器中。開關控制底層硬件模塊組成及連通框圖如圖7所示。

3.4照明控制模塊

本模塊的功能是實現實驗室光線照明的調節。由于在各不同的實驗環境下光線照明亮度需求會不相同，通過調節每個實驗室的照明度，可以實現不同實驗室的照明條件需求并節能環保。

照明控制模塊界面的也是通過相關的功能按鈕實現照明的操控。因照明變化快，所以有照明度改變請求時，應用程序實現每秒從數據終端獲取當前照明數據值并顯示在程序界面。直到照明度達到要求時停止。刷新按鈕則實現照明數據的再次讀取并顯示。讀取的數值會在圖8的環境數據狀態顯示。

4系統功能測試

4.1底層網關通信及數據采集測試

為測試系統數據通信的有效性，保證實驗室管理的穩定性，對系統底層網關通信及數據采集進行測試，通過測試在底層信息采集過程會出現網關信息機無法接收到或是只能部分接收到硬件層傳感器信息和無法控制設備現象。對測試出來的問題進行分析，排除傳感器和電控設備本身不存在損壞并能正常工作之后，主要問題出現在Zigbee數據傳輸的過程中，在某些時候Zigbee協調器掉電的情況下，某個傳感器在一定時間尋找不到網絡之后會進入休眠狀態，這個時候要重新觸發，或是重新重現按照先啟動信息機網關，再依次給每個傳感器通電，這樣可以保證每個設備正常連接。如果還出現上述問題或是傳輸不穩定，在傳輸信道固定的情況，最好把每個Zigbee模塊PAN_ID固定四位十六進制數，不要采用默認的OXFFFF值，否則會出現傳輸過程PAN_ID值動態變化而傳輸數據不穩定。

4.2系統安防監控功能測試

系統中除控制實驗室管理功能外，還有實驗室的實時監控安防設備，實現實驗室的安防監控管理，通過測試，在網關信息機中能正常接收控制設備且手機正常連接4G網絡的情況，APP應用軟件實現接收和控制部分傳感器和設備情況下，測試到315M類和433M類的安防設備沒有數據返回。針對此問題，在實際測試使用多個移動終端連接智能家居系統，315M類和433M類的主動上傳安防設備連接到移動終端后，在服務器端口會保存該IP地址，當關掉該移動終端設備后再連接其他設備會出現315M類和433M類無法獲取數據。出現該情況可以全部斷開連接的移動終端，重新啟動網關信息機無線連接，使用一臺設備連接可以恢復通信;或者在服務器端口中不斷刷新IP存儲空間以獲取新的連接設備實現該類傳感器信息。

5結束語

實驗室智能管理系統以“互聯網+”技術框架為依托，綜合利用網絡通信、物聯網和軟件技術設計并實現了實驗室的智能遠程控制管理，系統由Android手機監控軟件平臺和數據采集終端兩部分組成，各部分獨立并通過內網、公網和云端服務器實現通信連接和數據存儲，保證了該系統具有較高的擴展性、維護性和應用性。客戶端軟件采用Android操作系統為平臺搭建，Android的廣泛應用性，高可靠性等特點，能有效降低本實驗室智能管理系統的開發成本，同時有利于系統后續的升級。同時目前基于Android的應用程序已經日益豐富，有助于增加各類設備的控制和應用功能。通過系統各功能實現實驗室的智能管理，為更好發揮實驗室作為學校科研和人才培養重要平臺作用提供智能管理支撐。