智能實(shí)驗(yàn)室管理與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李雨鑫，解迎剛，孫 錦，李昊達(dá)，崔英花

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室需要人工管理和操作，并且缺乏一套完整的管理制度與整體規(guī)劃。隨著科研人員實(shí)驗(yàn)需求的不斷增加，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)工作產(chǎn)生一定的制約，相關(guān)信息的滯后、管理效率相對(duì)較低的問題也就隨之而來。如果全部依靠人工來管理實(shí)驗(yàn)室，那么在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備使用情況、實(shí)驗(yàn)室的安全保障管理、人員的參與程度與實(shí)驗(yàn)室的開放程度等方面都會(huì)耗費(fèi)很大的精力。

國家對(duì)于教育事業(yè)與科研事業(yè)的重視程度逐漸加大，信息技術(shù)的發(fā)展也為實(shí)驗(yàn)室智能化提供了強(qiáng)大的動(dòng)力與支持，逐漸形成了“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室”這一新興的實(shí)驗(yàn)室模式。“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室”將傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)、通信技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等發(fā)展迅速的信息技術(shù)相結(jié)合，在這種實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行模式下，實(shí)驗(yàn)室中傳感器可以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上傳，服務(wù)器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、保存，實(shí)驗(yàn)室管理員可以直觀地看到實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)。在這樣的管理方式下實(shí)驗(yàn)室管理員可以根據(jù)數(shù)據(jù)來判斷是否需要進(jìn)行一些必要的操作，如果需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，就可以直接通過服務(wù)器端進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，同時(shí)可以控制相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的可視化與操作遠(yuǎn)程可控化。這樣的工作模式對(duì)于實(shí)驗(yàn)室管理與建設(shè)都有著十分重要的意義。實(shí)驗(yàn)室的智能化能夠使實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境得到很好的改善，更加有利于實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而提高實(shí)驗(yàn)的效率。在一定程度上也能夠減少能耗，提高環(huán)保效果。

本課題構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)感知的智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)，將傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸、WiFi等技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備相結(jié)合，采集實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境參數(shù)，例如溫度、濕度、煙霧濃度等信息，連接到WiFi的傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端APP，服務(wù)器端對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，以直觀的方式展示給實(shí)驗(yàn)室管理員，實(shí)驗(yàn)室管理員能夠?qū)崟r(shí)看到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前需要進(jìn)行門禁刷卡；在工作的狀態(tài)下可以對(duì)煙霧濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，存在危險(xiǎn)因素時(shí)可以及時(shí)報(bào)警。在這樣的模式下，能夠提高實(shí)驗(yàn)室管理員的管理效率，減輕管理員的管理壓力；也能夠在加大實(shí)驗(yàn)室開放程度的同時(shí)保障安全。

1 系統(tǒng)整體框架

1.1 硬件框架

本次系統(tǒng)的硬件部分可以分為6個(gè)模塊，分別是為各個(gè)工作模塊進(jìn)行供電的供電模塊、能夠?qū)崟r(shí)采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器模塊、收集數(shù)據(jù)并向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報(bào)警模塊以及門禁模塊。硬件框架的模塊如圖1所示。

圖1 硬件框架模塊

1.2 服務(wù)器框架

網(wǎng)關(guān)模塊作為智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)硬件的一部分，可以通過無線通信技術(shù)中的WiFi技術(shù)連接網(wǎng)絡(luò)，然后將傳感器采集的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，服務(wù)器端有相對(duì)應(yīng)的顯示界面，實(shí)驗(yàn)室管理員可以在顯示界面中看到相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)，并能夠在界面控制燈光的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查看。服務(wù)器框架流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)器框架流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)

本課題實(shí)現(xiàn)的基于物聯(lián)網(wǎng)感知的智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)，需要將傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器頁面，讓實(shí)驗(yàn)室管理員能夠直觀地對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在學(xué)生或者實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，本人可以使用身份識(shí)別卡進(jìn)行刷卡，解開門禁后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。這樣就可以提高實(shí)驗(yàn)室的使用效率與開放程度，實(shí)驗(yàn)人員可以在需要的時(shí)候自由進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，不用等待實(shí)驗(yàn)室管理員的到來。在手機(jī)移動(dòng)端有一個(gè)服務(wù)器用來接收與存儲(chǔ)傳感器所傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，并且能夠保存；實(shí)驗(yàn)室管理員能夠在手機(jī)端的頁面中隨時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

本次研究課題實(shí)現(xiàn)的智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的硬件框架模塊的功能如下：

（1）供電模塊：給開發(fā)板以及系統(tǒng)中工作的各傳感器提供電力支持，使用數(shù)據(jù)線直接連接電源進(jìn)行工作，工作電壓為5 V。

（2）傳感器模塊：實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，包括空氣溫濕度傳感器、煙霧傳感器。

（3）顯示模塊：將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)在OLED屏幕顯示。

（4）WiFi模塊：為設(shè)備與移動(dòng)端的連接提供支持。

（5）報(bào)警模塊：采用蜂鳴器對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。

（6）門禁模塊：進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前需要進(jìn)行刷卡，經(jīng)過身份識(shí)別后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

2.2 服務(wù)器系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

服務(wù)器系統(tǒng)功能相對(duì)比較全面。本課題要實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示；對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫濕度、煙霧濃度的監(jiān)測(cè)；對(duì)煙霧濃度超過閾值的報(bào)警；對(duì)采用門禁卡打開門禁等模塊的相關(guān)設(shè)計(jì)。服務(wù)器系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4 服務(wù)器系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件搭建流程

3.1.1 搭建外部環(huán)境

將模型整體、傳感器和開發(fā)板等通過串口與電腦連接在一起，準(zhǔn)備設(shè)置開發(fā)板需要連接的WLAN以及程序的燒寫。

3.1.2 配置開發(fā)板的WLAN熱點(diǎn)

在連接完成后，配置開發(fā)板的WLAN，設(shè)置開發(fā)板需要連接的無線局域網(wǎng)或者手機(jī)熱點(diǎn)。

3.1.3 通過串口燒寫程序

將硬件設(shè)備與電腦連接完成后，在電腦端通過串口將已經(jīng)編寫好的程序燒錄進(jìn)開發(fā)板，同時(shí)觀察開發(fā)板的響應(yīng)情況。

3.2 系統(tǒng)服務(wù)器登錄

實(shí)驗(yàn)室管理員可以在手機(jī)端通過輸入賬號(hào)、密碼、驗(yàn)證碼登錄服務(wù)器，查看實(shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)。服務(wù)器登錄頁面如圖5所示。

圖5 服務(wù)器登錄頁面

3.3 手機(jī)移動(dòng)端主要功能

手機(jī)移動(dòng)端的主要功能是對(duì)相關(guān)傳感器所采集并上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析、存儲(chǔ)，在服務(wù)器界面向?qū)嶒?yàn)室管理員顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)還能控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈光的開關(guān)。

3.3.1 數(shù)據(jù)收集功能

在手機(jī)移動(dòng)端APP頁面，服務(wù)器可以對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、整合和存儲(chǔ)。

3.3.2 展示功能

實(shí)驗(yàn)室管理員可以在手機(jī)端APP界面中實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)。

4 服務(wù)器端管理與控制

4.1 開關(guān)控制

以燈光開關(guān)控制為例，在服務(wù)器頁面點(diǎn)擊“ON”按鈕開啟照明。照明系統(tǒng)開啟過程如圖6所示。照明系統(tǒng)開啟后硬件設(shè)備系統(tǒng)上的照明提示燈亮起。

圖6 照明系統(tǒng)開啟

4.2 系統(tǒng)服務(wù)器界面運(yùn)行成果

系統(tǒng)服務(wù)器界面整體運(yùn)行效果如圖7所示。圖中顯示了智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、煙霧濃度以及系統(tǒng)整體電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)服務(wù)器界面整體運(yùn)行成果

5 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與使用的基礎(chǔ)上提出一種基于傳感器技術(shù)、WiFi技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理與控制系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理員在管理過程中耗費(fèi)過多精力、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)研究人員的影響等問題，設(shè)計(jì)出智能化的系統(tǒng)解決方案，使實(shí)驗(yàn)室管理員能夠在移動(dòng)端隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)環(huán)境狀態(tài)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。在這樣的管理模式下可以減輕實(shí)驗(yàn)室管理員的壓力，節(jié)省一定的精力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化、信息化、可控化，為研究人員提供強(qiáng)有力的保障與服務(wù)；還能夠加大實(shí)驗(yàn)室的開放程度，提高安全保障以及研究人員使用實(shí)驗(yàn)室的效率。