基于物聯網技術的智能空調性能測試實驗室管理系統設計

韋留坤

（約克廣州空調冷凍設備有限公司，廣東 清遠 511685）

0 引 言

智能空調性能測試實驗室的主要控制對象是熱工參數，具有非線性、時滯大等特點，同時存在較多的干擾因素，包括實驗室門窗的開閉、實驗設備的散熱、室內人員的變動和移動等[1]。在實際的智能空調性能測試中，測試設備的規格型號不同，散熱性能也不同，這就要求智能空調性能測試實驗室控制系統需要具有良好的魯棒性[2]。基于此，本文設計了一個基于物聯網（Internet of Things，IoT）技術、傳感器技術的實驗室控制系統。

1 基于物聯網的實驗室管理系統功能

（1）預警功能。系統需要具備預警功能，通過傳感器、視頻監控等方式監測實驗室的溫度、濕度以及門禁等主要狀態，如果發現異常，則需要第一時間向相關管理員發送短信或相關預警信息。

（2）遠程控制。系統需具備遠程控制功能，實驗室管理員可以通過網絡對實驗室的門禁、設備等關鍵部分進行遠程操控，如遠程門禁認證、電力系統操控、照明系統操控以及設備系統操控等[3]。

（3）智能化管理。系統可以通過服務器軟件進行各種智能化系統設置，如設置實驗室的電源開啟時間段和實驗室人員可以刷卡進入實驗室的時間段。

（4）無線傳輸。除了基本的有線網絡之外，智能空調性能測試實驗室還需要通過無線網絡連接主機設備，實現無線通信。

（5）多網匹配。系統需要匹配不同的網絡，包括局域網、廣域網、移動網絡以及Wi-Fi網絡等，實現多網通信[4]。

（6）適應不同的工作模式和不同的用戶。系統提供計算機操作、移動設備操作、平板觸摸屏操作等多種操作方式。實驗室管理員可以遠程控制實驗室內的相關電氣設備，實驗研究人員可以遠程檢查實驗室中的實驗進行情況。視頻監控系統可以在現場采集視頻信息并存儲在服務器硬盤上，供客戶端檢索和回放。

（7）訪問控制功能。基于射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）卡提供實驗室門禁管理功能，實驗室人員通過刷卡進入實驗室，后臺系統會自動記錄人員來訪時間、刷卡時間，可以進行考勤統計并根據實驗室位置信息為實驗室人員自動分配座位[5]。

2 基于物聯網的實驗室管理系統總體設計

根據智能空調性能測試實驗室的特點進行控制系統結構層次劃分，由于智能空調性能測試實驗室對溫度、濕度的要求很高，因此實驗室控制系統需要具備較強的控制精度和魯棒性。采用S3C2440單片機作為實驗室中控單元，用于控制系統的各個模塊。基于物聯網的實驗室管理系統基本框架如圖1所示，主要包括終端模塊、服務器、實驗室中控以及傳感器網絡等。

圖1 系統基本框架

控制終端主要包括溫度控制終端、濕度控制終端、門禁控制終端以及通風控制終端等，各終端通過網絡與系統實驗室中控連接，基于傳輸控制協議/網際協議 （Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協議通信，從實驗室中控模塊接收數據并對數據進行分析，根據指令進行相應操作[6]。實驗室管理員和研究員都可以通過網絡異地接入實驗室服務器，基于具體參數分析數據庫變化，訪問記錄將保存在數據庫日志中，最后生成相應的指令并發送給主控模塊。

實驗室中控設置在實驗室中，與服務器、無線傳感器通過網絡連接，傳感器將數據傳輸至實驗室中控，中控計算機處理數據后發送到服務器供用戶查詢使用。

無線傳感器網絡是系統的最底層，實驗室的實時環境數據通過各類傳感器發送給實驗室中控，設備由繼電器控制，RFID模塊用于驗證人員身份[7]。傳感器網絡采用分體式結構，以方便后期的設計、安裝和維護。無線傳感器網絡中的每個節點分為兩部分，即ZigBee節點和終端控制模塊。ZigBee節點主要負責通信，終端控制模塊主要控制終端設備[8]。在系統設計中建立分層框架，提高系統的整體內聚性，降低各功能模塊之間的耦合度。

3 系統詳細設計

結合智能空調性能測試工況，實現實驗室環境數據采集的集中控制和系統各模塊的高度集成[9]。實驗室環境中的數據采集由傳感器網絡模塊完成，系統的集中控制由實驗室中控模塊完成，實驗室各終端的控制由控制終端模塊完成，系統數據的存儲則由存儲應用模塊完成。

3.1 傳感器網絡模塊

傳感器網絡模塊負責實時采集實驗室的環境數據和實驗設備狀態數據，并將采集到的數據通過網絡協議傳輸至系統中控模塊的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）進行處理。傳感器網絡模塊如圖2所示。

圖2 傳感器網絡模塊

傳感器作為感知元件，需要通過單片機進行控制才能監測環境數據信息[10]。采用S3C2440單片機作為控制單元，通過ZigBee技術進行無線通信模塊開發，各種傳感器用于采集實驗室環境數據。信號經過放大電路放大后發送到S3C2440單片機，單片機進行數據運算得出相應結果后經由ZigBee模塊傳輸給服務器，供前端使用。

3.2 實驗室中控模塊

實驗室中控模塊是系統數據處理與分發的關鍵，為了方便未來的系統擴展，需要預留一定數量的接口。實驗室中控模塊如圖3所示。

圖3 實驗室中控模塊

無線監控模塊采用ZigBee協議標準，向中控模塊的單片機發送環境感知信息[11]。中控模塊的主要任務是與服務器、傳感器進行數據通信，為確保功能實現，采用價格便宜、功耗低、性能強勁的S3C2440微處理器，ARM內核為16 KB緩存，該處理器采用32位RIS指令集，可實現多種設備的控制。在低功耗使用場景中應用效果良好。和RAM、ROM共同構建數據處理單元。中控模塊的基本電路主要有包含2 MB的非易失閃存芯片以及256 MB的與非型閃存芯片的板載ROM，12 MHz晶振電路以及其他電路。

3.3 終端控制模塊

終端控制模塊由單片機電路、電源電路、串口電路以及ZigBee底座接口電路等構成，以PIC18F45K20型單片機作為核心控制器。該單片機采用精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）架構，成本低且可靠性更高。PIC18F45K20內置振蕩電路，為了確保頻率精準，外接晶振電路，同時選用16 MHz并聯諧振晶體，配合內置振蕩電路實現負反饋移向，減小諧振阻抗，提高晶振電路的運行效率。為了便于調試，電路帶有在線串行編程接口，連接在線調試器后可實現程序下載和調試。外接輸入/輸出（Input/Output，I/O）口用于控制外圍電源、門禁等模塊，方便后期擴展。

3.4 存儲應用模塊

存儲應用模塊可以存儲實驗室中控模塊發送的數據，以供實驗室研究人員使用。系統使用SQL Server進行數據管理工作，包括數據存儲、數據讀取、數據更新以及數據備份等。實際設計數據庫時，需要為每個監控數據設置一個閾值。如果超過閾值，系統會提醒相關人員及時處理。同時需要為用戶設置敏感信息，為每個用戶設置不同的操作權限。存儲應用模塊以用戶、系統高效交互為基礎，根據實際情況選擇性展示系統獲得的環境監測數據和實驗數據。

4 結 論

該系統結構簡單、可靠性高，且具有一定的智能化控制和自適應能力。相較于傳統的實驗室管理系統，尤其是在非線性、干擾大的智能空調性能測試實驗室管理中，基于物聯網系統架構設計的實驗室管理系統具有較強的抗干擾能力，同時靜態誤差小，值得推廣應用。