基于物聯網控制的實驗室管理系統研究

王辰,張賓

（無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

0 引言

隨著我國職業教育改革重心由“教育”轉向“產教”，產業與教學的結合也越來越密切[1]，實驗室作為提高產教融合水平的重要場所，學校的投入也逐年增加，實驗室管理的重要性不言而喻。然而各地高校在實驗室使用和管理過程中存在著諸多問題，嚴重影響實驗室教學工作的進行[2]。如何規范化、便捷化、高效管理實驗室成為高校需要解決的問題。因此，通過信息化管理手段，借助物聯網技術，智能、高效的進行實驗室管理，不僅能夠克服傳統管理方法的弊端，還能夠為教師、學生提供一個更加便捷化的實驗平臺，有利于提高教師的教學效率和學生的學習質量，為學校的教學科研打下良好的基礎。

1 高校實驗室管理的不足及信息化實驗室的重要性

實驗室作為高校教學的重要一環，是學校進行人才培養、科學實驗、對外交流的重要場所。高校對學生實際操作能力的要求不斷提升，對實驗室的投入力度不斷加大，實驗室設備儀器的數量和種類不斷增多，學生參與度較逐漸升高，實驗室的教學任務越來越繁重，對實驗室的安全保障要求也不斷提高，隨之帶來的問題就是實驗室的管理難度越來越高，同時也暴露出實驗室管理的一些問題。

1.1 管理不規范

高校實驗室管理人員不足且專職管理員比重不高的情況較為普遍，從長遠角度出發，這會影響實驗室的管理的規范性，不利于促進實驗室的一體化建設。其次，實驗室設備管理不規范，購入的設備多以紙質記錄的方式完成入庫，設備明細查找困難，導致設備重復采購，造成設備堆積。借還設備流程不規范，借用者僅在管理員的口頭允許下借用設備，設備去向不明確導致設備丟失[3]。

1.2 管理不便捷

目前，大多數實驗室管理還處在人工管理階段，實驗室的開放和關閉完全依靠管理員手動操作，管理效率低下。信息化管理水平低，實驗耗材的統計不便利，學生課余時間實驗室使用申請困難，導致實驗室使用率低。除此之外，實驗室安全管理不規范，僅靠管理員巡查管理，缺少環境安全監測設施，不能及時發現實驗室異常情況，一旦發生火災等情況，會造成巨大損失。

1.3 實驗室信息化管理的必要性

借助物聯網技術，能夠有效提高實驗室信息化管理水平，促進一體化建設進程，不但可以提高實驗室管理人員的工作效率，還可以全方位、全過程監控實驗的使用情況。通過傳感器網絡實時監測實驗室環境數據，監測到異常情況及時上報處理，很大程度上降低安全事故發生的概率，極大地提高了實驗室的安全性。通過物聯網技術實現實驗室的管理，為師生提供更加舒適便捷的實驗條件，為提升學生的實踐操作能力，培養學生的創新意識，提供一個優質平臺。

2 實驗室管理系統的功能設計

利用物聯網技術將實驗室的無線傳感器網絡及控制設備與云平臺連接，通過云平臺進行數據的傳輸并實時監測實驗室環境數據，異常情況及時觸發策略并上報至手機App，手機App 實時顯示實驗室環境數據，同時可以下發控制指令遠程控制實驗室。此外還可通過現場操作的方式管理實驗室，實現線上線下并行管理模式，提高實驗室管理效率，實現規范化、信息化管理。對此，管理系統功能設計如下。

實驗室供電機制是針對實驗室設備數量大，設備功耗高等特點，為避免實驗室產生不必要的電能浪費所設計的供電模式，采取兩種供電方式，一是通過刷卡方式供電，教師進入教室后可進行刷卡取電，一次供電時間為兩個課時，在下課10分鐘后系統自動切斷實驗室供電。二是實驗室遠程供電模式，該模式下由管理員控制實驗室的供電時長，在實驗室使用完畢后能夠及時切斷電源，避免了電能浪費，及時斷電也可確保實驗室電路不會因為長時間工作導致負載過大而發生火災。

實驗室開放功能，第一種為現場開放，考慮到響應速度、體積、功耗等方面，選擇射頻識別開放方式，教師可通過校園卡刷卡進入實驗室，規范了實驗室的使用，避免學生未經申請違規進入實驗室造成設備損壞的情況發生。第二種是通過管理員遠程開放，管理員可以通過手機App下發控制指令授權開放實驗室。

實驗室使用申請功能，目前大多數實驗室在教學時間以外處于關閉狀態，學生沒有條件繼續實操，缺少動手實踐的機會和平臺。因此本系統設計了學生課后申請使用功能，學生能夠根據學習的需求和自身的學習情況，通過實驗室管理平臺實名向實驗室管理員提出實驗室使用需求，以“誰申請誰負責”的機制使用實驗室，管理員通過審核后，設定實驗室開放時間段。

實驗室安全監測功能，為排除實驗室發生安全事故的隱患，保證師生在安全環境下進行科研教學活動，系統對實驗室環境進行監測，包括實驗室的溫濕度、有害氣體成分、火災、水淹等，并設置了異常報警功能，當監測到異常情況時及時觸發報警裝置并將警報信息上傳至云平臺，若監測到火災發生則及時觸發滅火裝置，實現全方位監測實驗室的安全情況。

整套系統留有設計冗余，提供可擴展外設的設備接口，后期可完善加裝執行、監測及其他輔助性設備等。

3 物聯網控制的實驗室管理系統設計

3.1 實驗室管理系統結構設計

實驗室管理系統根據物聯網的三層結構進行設計[4]。感知層，主要完成實驗室環境的監測，包括溫濕度傳感器，實時監測實驗室的溫度和濕度，火焰傳感器監測實驗室是否發生火災，水浸傳感器監測實驗室的水浸情況；網絡層，主要將采集的傳感器數據的傳輸到物聯網云平臺，實現數據的上云傳輸，作為實驗室遠程監測和管理的數據中轉站；應用層，編寫手機APP 管理程序和控制界面，對采集到的數據進行分析，判斷實驗室環境是否異常并下發控制指令，處理實驗室的申請請求，遠程監測管理實驗室，對各類信息進行處理，實現實驗室設備和人之間的交互。實驗室的結構框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的實驗室管理系統框圖

3.2 實驗室管理系統功能實現

監測執行模塊使用CC2530單片機作為數據采集和控制指令下發的核心，此款單片機專門針對IEEE802.15.4 和Zigbee 應用的單芯片解決方案，能夠以低功耗狀態長時間運行[5]。在進行數據監測時，溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、水浸傳感器分別搭載到ZigBee 終端節點。執行端包括報警器、滅火裝置，分別搭載到ZigBee 終端節點，Zig-Bee 通過協議棧的方式構建一個無線傳感器網絡，將傳感器采集的數據傳輸到協調器并將控制指令下發到控制終端，當系統監測到火災發生則會自動啟動滅火裝置和報警器，并把火災信息上報至管理員處。以傳感器和執行器為基礎，實現實驗室的智能監測管理[6]。ZigBee數據傳輸拓撲結構如圖2所示，ZigBee使用ZStack協議棧進行數據傳輸，ZigBee 節點執行機構的指令由STM32接收之后通過串口下發，執行機構接收到指令后啟動報警或滅火裝置。

圖2 ZigBee數據傳輸拓撲結構

主控模塊使用STM32F407ZGT6 作為主控芯片，其工作頻率為168MHz，采用3.6V 供電。主控模塊通過串口與ZigBee 協調器相連[7]，主控模塊通過串口實現指令的發送和無線傳感器網絡環境數據的獲取。同時，主控模塊搭載RFID 設備實現門控功能[8]，可通過刷卡開啟實驗室，也可通過手機App下發指令遠程控制開啟。另外主控模塊搭載繼電器，可智能控制實驗室的供電系統，進入實驗室啟動供電，下課后及時斷電，防止電能浪費，實現智能供電功能。實驗室環境數據的上傳至云平臺以及控制指令的下發是通過主控模塊搭載的EPS8266 實現的，主控模塊通過AT指令控制ESP8266連接無線網絡，實現與云服務器的通信從而實現實驗室的遠程控制。

ESP8266一款功能強大的WIFI模塊，可以實現網絡通信的功能，廣泛應用于物聯網領域，本系統中使用ESP8266 實現實驗室數據上傳至云服務器。以MQTT 作為數據通信協議，MQTT 協議是一種基于發布/訂閱模式的通訊協議，可以實現數據的一對多分發，該協議構建于TCP/IP 協議上[9]。在MQTT 協議中有發布者、代理（服務器）、訂閱者三種身份，客戶端是消息的發布者和訂閱，服務器是消息代理，訂閱者也可以是消息的發布者。在本系統中，下位機作為訂閱者和發布者，云服務器作為代理，手機端作為訂閱者和發布者，結構如圖3所示。

數據上傳至云服務器后，可通過云平臺進行數據監測，當監測到異常數據，可通過設置管理策略實現自動觸發，例如當火焰傳感器監測到數據異常時，觸發異常策略，下發滅火指令，啟動滅火裝置、觸發報警器并向管理員發送報警信息[10]。關于數據的存儲，上傳至云服務器的數據可以通過給定的接口存儲至數據庫中，編寫程序調用數據庫將實驗室數據實時顯示在手機App 端，手機App 分為管理員端和用戶端，管理員可進行實驗室的遠程管理控制，用戶端可提交課后實驗室的使用申請，由管理員授權使用，從而實現實驗室的智能管理。

4 物聯網控制的實驗室管理系統測試分析

利用物聯網技術控制的實驗室管理系統不僅可以提高實驗室的信息化管理水平，也為師生的科研工作提供了一個平臺，為學生的競賽訓練提供了一個便捷的場所。在完成開發設計后對系統進行測試分析。對無線傳感器網絡的測試，能夠實現所有終端的通信；對于數據上報及策略觸發的測試，在溫濕度測試中，改變傳感器附近的溫度和濕度，在云服務器和手機App上溫度和濕度數值發生相應變化；對氣體和火焰傳感器的測試，人為改變兩個傳感器附近的環境在云服務器和手機App 端氣體監測端和火焰監測端均有數值發生變化，同時，當氣體和火焰達到設定閾值時觸發云平臺的策略，啟動實驗室報警器并觸發滅火裝置，管理員端收到報警信息。指令控制測試，管理員手機App端點擊實驗室開啟或關閉按鍵，經過幾秒鐘的延時后實驗室門觸發相應動作并且實驗室自動供電。RFID 門禁測試，測試人員使用測試卡靠近RFID傳感器，實驗室門自動解鎖，在管理員端顯示相應實驗室門已開啟。因此判定基于物聯網技術的實驗室管理系統的測試成功。但也存在一些問題需要進一步研究解決，ESP8266 在訪問云平臺時，會出現隔一段時間自動斷網的情況，目前還沒有找到原因。

5 結束語

本文基于物聯網技術設計了一套實驗室智能管理系統，在系統中搭建了ZigBee傳感器網絡實現實驗室數據的采集和執行器的控制，主控系統搭載了無線Wi-Fi 模塊實現與云服務器的通信，控制端采用手機App的形式，在App中實時監測實驗室環境數據，可以遠程管理控制實驗室，實現實驗室的智能管理。本系統的應用適用范圍較廣，經過調整修改可以廣泛應用于其他需要智能管理的場景。