基于Arduino的智能實驗室管理系統

◆李曉茹 江河

基于Arduino的智能實驗室管理系統

◆李曉茹 江河

（太原學院計算機科學與工程系 山西 030012）

目前，實驗室管理已從傳統方法轉向物聯網技術支持的自動化管理。本系統基于物聯網技術設計實驗室自動化管理系統，提出了安全的實驗室訪問原則，使用智能門禁和視頻系統設計了一種經濟高效的實現方案。實驗表明，本系統識別身份速度快，準確率高，為實驗室高效和安全的管理起到了積極作用。

物聯網；Arduino；傳感器；RFID；智能攝像頭

隨著我國高校的發展壯大，校園中的各種資產管理已成為一個亟待解決的問題。其中實驗室的管理尤為重要，首先實驗室的資產眾多，價格不菲，其次實驗室往往存在著很多安全隱患[1]。當前實驗室管理存在很多問題，例如當實驗室的人數達到或超過可控的閾值時，實驗室管理人員就會出現顧此失彼的情況，難以達到管理的效果。隨之而來的是實驗室管理混亂，學生進出隨意，實驗儀器損壞、丟失、缺少等問題[2-3]。物聯網技術是解決以上這些問題的一種合理選擇，物聯網的智能設備可用于替代某些傳統設備，子系統設備之間可以方便相互連接。當實驗室管理自動化時，各方面的管理都將精確化，不僅可以減少人力，還能節約資源。

1 實驗室管理系統

隨著物聯網技術的出現，建立起科學精確管理系統的需求愈發凸顯[4]。物聯網技術旨在以智能和有效的方式改善用戶與設備的交互。我們提出了智能實驗室管理系統的概念，采用了最先進的物聯網技術，分步提供安全認證，以提高安全性。這種身份驗證包括授予/撤銷訪問權限和確認進入實驗室的訪問者身份。系統使用Arduino作為基礎平臺進行開發，開發理念是通過智能門禁實現安全實驗室訪問。

學生想要進入實驗室，必須持有實驗室專用的RFID卡，一旦刷卡，系統就會通過手機以即時通知的方式向系統管理員發出提醒信息，讓管理員無論在哪里都能知道有學生想要進入實驗室。學生是否可以進入實驗室，智能門禁會按照系統規則來進行決策。當學生進入實驗室之后，系統連同圖像和進入記錄一起存儲在數據庫中，供以后使用。

2 相關技術

Arduino是一系列基于小型微控制器的廉價計算板卡，可以輕松互連并以適當的所需配置組合，目前在全球移動市場中占有很大份額，因此作為我們的首選。Arduino可以執行實驗室管理所需的所有功能，與PC平臺相比具有價格低，功耗低，可靠性高，良好的連接性和有限的數據處理性能[5]。

Arduino作為基本設備，其中包含了系統的多個組件，還可以與智能攝像頭模塊連接，該攝像頭模塊將用于捕獲圖像，并裝有像運動檢測器一樣的傳感器，以檢測合法用戶或者入侵者的活動，如果發生未經授權的進入，系統將觸發警報[6]。

3 智能實驗室管理需求分析

分析階段應確定實驗管理的可行性和通用模型。通用模型是分析階段的輸出，也是下一個設計階段的輸入。此階段的任務是提供未來實驗室管理的邏輯結構和物理結構。需求分析需要對現有平臺進行綜述，以作為實驗室管理實施的對象，并根據所需的性能，計算能力，開發條件和其他因素，在要求高和限制性強的情況下，選擇一個平臺組合作為解決方案[7]。實現實驗室管理的主要條件是：

● 可以在不受時間和距離限制的情況下使用；

● 智能實驗室管理的建設和運行成本必須盡可能低；

● 實驗室管理必須有避免錯誤使用的控制；

● 實時監控，可隨時隨地通過互聯網訪問；

● 功能強大且用戶友好的界面；

● 完整的數據捕獲，歸檔和檢索解決方案；

● 高度可靠，準確，實時的數據系統。

為了實現這些目標，智能實驗室的研究重點是：為通信系統、視頻捕捉、傳感器組和用戶界面的物聯網，研究，設計，開發和測試創造環境[8]。為此，智能實驗室配備了智能攝像頭，用于監視環境參數的傳感器以及將獲取的信息傳遞到服務器所必需的通信基礎結構的設備，系統結構如圖1所示。

圖1 智能實驗室管理系統架構圖

4 智能實驗室管理系統分層結構

智能實驗室管理系統的核心設備是Arduino平臺，該平臺可以連接種類眾多的其他設備，例如：LED，攝像頭，傳感器等。此外，源代碼的編譯，加載和執行均由Arduino板運行。它還具有可連接到互聯網的Wi-Fi芯片，WI-FI信號具有更好的穩定性，這一點對于增加用戶體驗至關重要。另外，管理系統中添加了一個物聯網攝像頭，以便管理員可以直觀地觀察學生行為。

智能實驗室管理系統有三層體系結構，由感知層、數據層和應用層組成。感知層位于體系結構的最底層，負責實驗室管理信息的收集，其組成包括用于收集環境數據和實驗儀器相關數據的各種傳感器，例如溫濕度傳感器，煙霧傳感器，有害氣體傳感器等。數據層支持感知層與應用層之間的通信。應用層主要是按照客戶要求提供管理所需的信息，如圖2所示。

圖2 智能實驗室管理系統分層結構

4.1 感知層設計

感知層中傳感器節點到網關和消息服務器的數據傳輸取決于應用程序需求。它可以是連續的，事件驅動的，查詢驅動的或混合的應用程序。數據以連續的方式在預定的時間間隔內定期發送到網關。而事件驅動，僅在發生緊急事件時才進行傳輸。感知層中存在的Wi-Fi模塊通過互聯網、消息傳遞服務器將數據作為文本消息發送到數據層中的數據服務器，數據服務器接收數據并對其進行處理。然后，它將傳感器數據填充到數據庫中，從而使應用程序可以訪問傳感器數據。服務器包含各種服務，用戶可以根據應用程序需求進行訂閱。

感知層包括溫濕度傳感器，煙霧傳感器，有害氣體傳感器等。為了處理板級通信，使用了具有AT MEGA328的板控制器Arduino。該板級控制器單元的主要目的是維持不同傳感器模塊之間的接口，并通過控制調制解調器將處理后的數據傳輸到通信級控制器模塊。

4.2 數據層的設計

數據層用作消息傳遞服務，通過無線網從物理層接收數據。數據層還負責在預定義時間內發送連續數據，在發生非常規事件時生成警報，并處理接收的查詢請求。數據層通過消息傳遞服務器的協調，其處理從感知層收集的信息，并將它們存儲在數據庫中以提供從應用程序層請求的數據，而應用程序層則配備了支持用戶各種服務的接口。

4.3 應用層的設計

應用層為用戶提供圖形用戶界面（GUI），其中包括訂閱服務，即時消息服務，警報服務，報告生成服務和API服務，該服務注冊用戶以接收定期更新，訂閱者的每日更新以推送消息服務的形式提供。即時消息服務由消息傳遞服務器直接處理。警報服務是指在某些超出閾值的情況下向所有訂閱的用戶提供警報消息，生成服務用于生成自定義報告。

實驗室中有各種信息數據，包括工具/儀器，設備，材料，基礎設施的數據清單，訪問數據或實驗室使用，預訂，安排的數據等。用戶和管理員應該能夠盡可能容易地，隨時隨地訪問信息，而不受距離和時間的限制，應用層的設計和開發如圖3所示。

圖3 應用層的設計和開發

5 結論

物聯網通過設備到設備的直接交互來減少人為介入。本研究利用物聯網技術，提出了一種解決傳統實驗室管理方式局限性的智能實驗室管理系統，我們通過構建更強大的基礎架構來解決實驗室設備管理和能源消耗的問題。在用戶反饋的基礎上，我們對系統的可用性和可靠性進行調查，提高系統的性能。通過實際驗證，系統在實驗室管理自動化和成本效益方面具有重要意義。在未來的工作中，我們希望加入語音助手實現實驗室管理雙向智能音頻通信。

[1]駱方舟.基于物聯網技術的化學實驗室安全監控系統設計與實現[J].長春工程學院學報：自然科學版，2018，19（4）：114-118.

[2]李郁峰，高小明. 基于網絡的低成本實驗室門禁管理系統[J].實驗室研究與探索，2010，29（6）：169-171.

[3]李新偉.智能家家居監測與控制終端的研究與設計[D].濟南：山東大學，2009.

[4]吳麗娟，曾石峭，成蓮，等.基于物聯網平臺的食品實驗室溫度監測系統[J].自動化與信息工程，2018，39（3）：40-44.

[5]慧淵．基于物聯網技術的智能實驗室的研究與實現[D] .杭州：杭州電子科技大學，2014.

[6]邱鵬瑞.基于Android與Arduino的高校實驗室環境監測系統研究[J].云南民族大學學報(自然科學版)，2018，27(5）：422-425.

[7]崔喬.基于Arduino開發板的建筑智能監測控制系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2018(4)：74-78.

[8]李想，馬廣焜，高偲程，等.基于云服務器與Arduino的GPS定位系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2018，18(5）：28-31.