基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.10.011

引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，很多行業(yè)對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)都有涉及， 本文以高職院校實(shí)驗(yàn)室的智能監(jiān)控系統(tǒng)為例展開一系列研究。在高職院校的固定資產(chǎn)中不可或缺的就是儀器設(shè)備，而對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理，可以將儀器設(shè)備的投資效果更好地展現(xiàn)出來。正因?yàn)槿绱?，儀器設(shè)備的監(jiān)控管理也受到廣泛關(guān)注。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)涉及廣泛，如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、醫(yī)療以及軍事等，其未來的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的進(jìn)一步結(jié)合， 以達(dá)到智能化控制的目的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)施應(yīng)用能夠動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)地感知實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的操作，使用和維護(hù)以及對(duì)一系列功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并有效發(fā)揮設(shè)備信息技術(shù)和智能化管理的作用，以此形成的全新管理模式為“互聯(lián)網(wǎng) + 設(shè)備”。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)高職院校的儀器設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架如圖 1 所示。系統(tǒng)包含前端傳感器、網(wǎng)關(guān)、Web 應(yīng)用程序和后端數(shù)據(jù)庫(kù)以及其他幾個(gè)主要部分。其中，儀器設(shè)備和前端傳感器使用傳感器技術(shù)來感知儀器設(shè)備的信息，而前端傳感器使用無線網(wǎng)絡(luò)模塊（ZigBee 無線通信模塊）技術(shù)收集數(shù)據(jù)并上傳到 Web 服務(wù)器。當(dāng)用戶打開儀器時(shí)，安裝在儀器上的電流互感器可以檢測(cè)到電流信號(hào)，以確認(rèn)前端傳感器設(shè)備已打開， 并通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息。網(wǎng)關(guān)可以通過互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)接收運(yùn)營(yíng)商信息，還可將打開、關(guān)閉信息以及運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)加入Web 服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備系統(tǒng)設(shè)備的管理。

                                                                                                      圖1 儀器設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

1.2 路由節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備開關(guān)控制模塊

路由節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵模塊主要由開關(guān)控制模塊與運(yùn)行狀態(tài)感應(yīng)模塊組成。

由于高職院校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備用途不一樣，因此為方便使用，其開關(guān)控制需使用兩級(jí)開關(guān)。假設(shè)各實(shí)驗(yàn)室均構(gòu)建如圖 2 所示的兩級(jí)開關(guān)模型，當(dāng)繼電器模塊由遠(yuǎn)程終端或服務(wù)器打開時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的儀器設(shè)備可以按照需求由按鍵開關(guān)進(jìn)行控制。

                                                                                                             圖 2 兩級(jí)開關(guān)控制模型

1.2.2 儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感應(yīng)模塊的應(yīng)用

在 220 V 交流工作電壓下，負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)無法直接借助芯片進(jìn)行測(cè)量，因而本文采用電流互感法以減弱電路中的電流， 通過采用串聯(lián)方式在 220 V 交流電路中結(jié)合傳感器與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常用儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)互感器用T1 表示，二極管用D1 表示，電阻用 R3 表示， 其兩端電壓用 U3表示，設(shè) T1的比例系數(shù)為 n ：m，Ud代表D1正向?qū)〞r(shí)的兩端電壓，則 U3 可用公式（1）表示，即電阻 R3兩端的電壓公式 ：

由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各類型儀器設(shè)備具不同的電流，因此 D1 處于擊穿狀態(tài)的前提條件是對(duì) R1，R2進(jìn)行調(diào)整，從而在 R3的兩端獲取穩(wěn)定電壓。

1.3 前端傳感器

前端傳感器由接收驅(qū)動(dòng)電流互感器模塊、TE200 溫度檢測(cè)傳感器模塊、濕度傳感器模塊和 ZigBee 無線通信模塊等組成。電流互感器用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的開啟和關(guān)閉，溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和室內(nèi)環(huán)境條件，部分設(shè)備擁有數(shù)據(jù)通信能力，即相關(guān)信息的讀取可借助數(shù)據(jù)接口完成。前端傳感器通過ZigBee 射頻模塊將采集到的實(shí)時(shí)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

1.4 無線數(shù)據(jù)收集與控制設(shè)計(jì)

前端傳感器在接收網(wǎng)關(guān)信號(hào)的同時(shí)，還獲得有儀器設(shè)備的狀態(tài)信息。網(wǎng)關(guān)逐個(gè)接收各前端傳感器的信息，其中一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)與信息可由同一網(wǎng)關(guān)接收。由于網(wǎng)關(guān)和前端傳感器的低功耗局域網(wǎng)模塊傳輸?shù)男盘?hào)范圍可達(dá)數(shù)百米，因此網(wǎng)關(guān)適用于單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室或者整棟樓層，從而達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｇ岸烁袘?yīng)裝置通過無線（ZigBee 射頻）模塊將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過濾、分析和打包等過程，將數(shù)據(jù)信息上傳到指定 Web 服務(wù)器的前端傳感裝置中，并在固定時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行處理?？山柚ヂ?lián)網(wǎng)將 Web 服務(wù)器程序發(fā)送的控制指令傳遞給各網(wǎng)關(guān)，方便對(duì)各集中器的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。圖 3 所示為數(shù)據(jù)收集和網(wǎng)絡(luò)訪問控制程序流程圖。

1.5 Web 程序設(shè)計(jì)

Web 服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)處理由集中器傳輸?shù)男畔?，?duì)設(shè)備用戶或管理員的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，并上報(bào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷信息和定期維護(hù)信息，最終以管理報(bào)告的形式提供給實(shí)驗(yàn)室教師或管理人員查看。

用戶可以分為普通用戶和管理員兩大類，在設(shè)備購(gòu)買、錄入、預(yù)約、使用以及維護(hù)等流程的基礎(chǔ)上，其目標(biāo)功能包括完善用戶登錄、設(shè)備錄入、設(shè)備預(yù)約、設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)置參數(shù)以及用戶管理。其詳細(xì)過程如圖 4 所示，各功能模塊的具體情況如下：

（1）用戶登錄 ：因用戶分為普通用戶和管理員兩類，所以在進(jìn)行登錄時(shí)要設(shè)置兩類用戶進(jìn)行相關(guān)操作 ；

（2）設(shè)備錄入 ：用以存儲(chǔ)所有設(shè)備儀器的信息 ；

（3）設(shè)備預(yù)約 ：在使用該設(shè)備時(shí)要在互聯(lián)網(wǎng)上填寫相應(yīng)的表格進(jìn)行預(yù)約 ；

（4）設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢 ：對(duì)分類展示用戶設(shè)備操作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢 ；

（5）設(shè)備統(tǒng)計(jì)分析 ：對(duì)設(shè)備的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析 ；

（6）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 ：進(jìn)行系統(tǒng)的初始化參數(shù)設(shè)置 ；

（7）設(shè)備維護(hù) ：設(shè)備出現(xiàn)故障之后要走報(bào)修、保養(yǎng)和報(bào)廢等流程 ；

（8）用戶管理 ：對(duì)設(shè)備的使用者以及教師類的用戶進(jìn)行管理和授權(quán)。

2 系統(tǒng)功能測(cè)試

本文以內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例選取了 1 間實(shí)驗(yàn)室作為測(cè)試對(duì)象，模擬高職院校對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的監(jiān)控控制。實(shí)驗(yàn)室控制電器包含 1 個(gè)總開關(guān)、5 臺(tái)儀器設(shè)備及 3 個(gè)窗戶開關(guān)。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

首先，電路的檢測(cè)需要先運(yùn)行儀器設(shè)備，并將其與各低功耗局域網(wǎng)模塊連接，重點(diǎn)應(yīng)考慮各負(fù)載狀態(tài)的遠(yuǎn)程測(cè)定， 需要確保 D1 處于擊穿狀態(tài)，D1 擊穿的前提是對(duì)電位器 R1 和R3進(jìn)行調(diào)整。針對(duì) ZigBee 無線通信模塊進(jìn)行程序編寫時(shí)，需要對(duì) ZStack-CC2530-2.5.1a 協(xié)議棧控制卡中的變量值進(jìn)行修改，使得每個(gè)設(shè)備擁有的編號(hào)都獨(dú)一無二且具有規(guī)律性，此舉有利于在 Clients 對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的無線射頻設(shè)備進(jìn)行區(qū)分，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的集中化。

服務(wù)器可以選用型號(hào)為 FS4412的開發(fā)板。服務(wù)器及無線射頻協(xié)調(diào)器的串口連接可借助通用異步收發(fā)傳輸器，在 Server 程序下的無類型函數(shù)中對(duì) CN的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址進(jìn)行修改。由于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址的有效性無法通過FS4412開發(fā)板進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，檢驗(yàn)可用性的過程即為將連接至CN電腦的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址修改為即將使用的 IP地址。將 FS4412開發(fā)板設(shè)置為程序編譯后的下載位置，接入網(wǎng)線并將電源開啟后，若FS4412開發(fā)板上的液晶屏顯示 ：IP地址與路由地址分別為10.10.84.244，10.10.83.1時(shí)，則代表校園網(wǎng)已連接成功且初始化過程已完成。

將全部設(shè)備的電源開關(guān)打開，并對(duì)各無線射頻節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)光二極管的指示燈進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否常亮，常亮則表示無線射頻網(wǎng)絡(luò)已成功加入，且初始化過程已完成 ；若指示燈未常亮，則表示 ZC 以及無線射頻網(wǎng)絡(luò)需要重新載入或加入。

2.2 客戶端測(cè)試

在各 Qt 編譯環(huán)境下對(duì) Qt 編寫的用戶界面客戶端程序進(jìn)行編譯，并生成與各系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的用戶界面客戶端。

當(dāng)客戶端打開，通知窗顯示“成功連接”時(shí)，則表示客戶端已成功連接到 Server，若未成功連接，則需要對(duì)服務(wù)器的配置合理性進(jìn)行檢查。在抽屜類的主界面上點(diǎn)擊所要監(jiān)控的實(shí)驗(yàn)室按鈕時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室的所有儀器設(shè)備工作時(shí)間與狀態(tài)的控制按鈕都會(huì)彈出，處于打開狀態(tài)的設(shè)備無法再點(diǎn)擊其打開按鈕。與此同時(shí)，可以點(diǎn)擊其“關(guān)閉”按鈕，在用戶界面中，儀器設(shè)備的工作時(shí)間將會(huì)顯示在各液晶顯示器上；而點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的“關(guān)閉”按鈕后，其“打開”按鈕便能繼續(xù)發(fā)揮信號(hào)輸入與輸出的功能。退出后，相應(yīng)的內(nèi)存也會(huì)清除，以確保多次打開客戶端時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 服務(wù)器自動(dòng)控制測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的全部?jī)x器設(shè)備會(huì)在實(shí)驗(yàn)室空無一人的情況下自動(dòng)關(guān)閉，但實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空曠的狀態(tài)需要持續(xù) 20 min，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人時(shí)，相關(guān)儀器設(shè)備開關(guān)會(huì)根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行開啟或關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)室的總電源會(huì)由于煙霧的產(chǎn)生而關(guān)閉 ；實(shí)驗(yàn)室的窗戶會(huì)在通過濕度檢測(cè)傳感器感知到水滴后自動(dòng)關(guān)閉。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。本文利用前端傳感器、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室常用電器智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的在于優(yōu)化高職院校儀器設(shè)備管理工作，提高儀器設(shè)備的維護(hù)水平，確保儀器在使用過程中的安全性、可靠性。在實(shí)際測(cè)試中，達(dá)到了預(yù)想的效果，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)當(dāng)逐步增添監(jiān)控探頭， 以更好地對(duì)電器、儀器設(shè)備進(jìn)行智能控制。