基于物联网控制的学校科学实验园设计与研究

吴旭+潘华

摘要：本文对物联网技术控制下学校科学实验园的设计和研究进行探讨，分析学校实验园建设出现的问题，并提出学校科学实验园的设计思路，提出解决方案，为学校科学实验园的设计提供有效依据。

关键词：物联网；科学实验园；设计；研究

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0140-03

1 研究内容

1.1 整体构架

基于物联网控制的学校科学实验园系统设计，实际上是由不同的层次所构成，如应用层，网络层和感知层，其中的每个层次又能分成若干个子层次，保证整个系统的设计能够贯穿硬件系统和面向用户的图形界面，具有很大的跨度，继而提升了对设计人员工作的需求。而物联网控制下学校科学实验园设计的难点则是系统的集成工作，同时还需要做好软硬件的协同工作以及跨平台之后的兼容性。

对于系统功能模块和软件架构层次角度来说，学校科学实验园系统的功能模块主要有以下几点（见图1）。

（1）系统登陆。登陆系统的方式可允许管理员使用指纹扫描、网络认证以及RFID等等，进行对数据的查询和修改。（2）网络信息平台。基于B/S架构，对关键的数据进行观看，以达到远程控制和管理的充分落实。（3）中央控制平台。保证在主操作界面上，能够实施对多个模块如安全、设备以及人员等的管理。（4）数据平台。主要是针对中央控制平台，以实现查询、持久化的服务。（5）扫描仓储。采用多种方式如二位编码、扫码器，与数据平台和局域网相互配合，实现条码生成-扫码-出库等一系列操作。（6）人员管理。采用物联认证相关设备，对人员进行管理，如打卡的方式来观测人员的进出，并将所有记录保存在数据库。（7）安全防护。其中的模块主要有身份认证，环境、视频等监控以及报警，采用摄像头、Zigbee、光感、红外和报警器等设备，全面落实。（8）灯光电力。充分落实智能用电。（9）智能展柜。将实验园的成果放于智能展柜中，若没有授权则无法将展柜打开，所有展柜打开等过程都被展柜系统记录，与展品移动有关的信息都存入数据平台中。（10）扩展。主要是对硬件接口扩展板和软件编程切面的预留工作，在未来进行实现。

学校科学实验园软件层次架构如图2，主要内容有以下几点：

（1）传感控制网络。其构成有控制器和传感器，实施对物理参数的监控，如湿度、温度、声音等等，同时还可实现对节点和设备的远程控制，抽象化物联网的感知层和硬件。（2）ARM+Linux+Android中控平台。充分采用Anrroid平台，Linux操作系统，Arm架构处理芯片，汇总整个传感器控制网络信息，并实现可视化操作，继而实现与Windows平台之间的数据交互，开发移动端应用。（3）Windows平台。在Windows操作系统的管理、控制程序、监视下，实施与DB、Web、Arm平台的交互，开发桌面级的应用。（4）Wsb信息控制。即成立可在多种平台软件适应的、基于html5的网站，完成系统参数的展示，并便于接受网络的控制。（5）DB（数据库）。用于对系统参数、日志、关键数据以及管理员等的身份信息的保存。

1.2 实验园单个构架

1.2.1 实验园安全监控系统的技术

作为整个系统的核心所在，其中的部分主要有控制单元、中央处理单元、预警报警单元、输入和输出单元，见图3。其中输入接口单元可对传感器的输入信号接收，实现开关输入接口和中央处理单元的联接；实现模拟量信号向数字量信息的传唤，有效被中央处理单元接收。中央处理单元则是对接收输入接口单元的监测数据进行良好的逻辑运行和判断；若监测数据达到预设警报值之后，将能够将警报的信息传输给警报单元；实现在排风系统和切断试验台中对警报信息控制单元的利用。预警报警单元能够将中央处理器传输的信息接收，并做出相关提示，让实验人员远离试验台。反馈控制单元的输入信号依据是中央处理单元进行逻辑判断的结果，若超出预设值之后，则会反馈到排风系统和切断供电电源。输出接口单元将中央处理单元输出的报警信息以及状态接受，之后实现系统的扩展。

1.2.2 实验园动植物配置

（1）实验园的建设不仅仅需要各个子系统的完善，同时还需要合理配置一些动植物。在学校实验园的建设中若存在盲目引种或者动植物配置方式不恰当，则会导致动植物生态适应性降低，以及增加维护费用，将其了动植物配置在实验园中的生态服务作用。因此，选取的动植物在数量上必须依照实验园的需求决定，且必须具备较高的美观价值和生态效应，为学校实验园的建设增添色彩。（2）学校实验园动植物在配置好之后，便可采用物联网系统进行控制，包括动植物所处的温度和湿度，在全方位的实时检测下实现对动植物的有效保护和控制。其中植物的种植可使用盆栽或者假植的方式，增强苗木移栽的便捷性以及成活率。（3）学校实验园规划需要结合学校自身办学特点和周边环境进行总结，尽量引进先进的设备和科学的实验条件，遵循科学的规律进行设计。

2 实现效果

学校科学实验园系统实现是通过Qt编程，从整体上看软件同有两大部分，即监控子系统和管理子系统，保护方式实施双重密码机制。在客户端以及浏览器上输入第一密码身份认证之后，则可进入中控台。其中的监控机制主要有以下几点：

（1）无限传感网络监控窗體的切换采用的是Zigbee网络监控菜单；（2）全局监控菜单能够实现全局视角，从图6中看，左侧是科学实验园的平面布局动图，可使用鼠标电击来观看每一个区域，之后则可进入子区域的监控子窗口，右上是传感器节点信息子窗口，对全局动图中的传感器图标点击之后，则能够获取该区域的所有传感器监控信息，如果触发了特定的报警传感器，那么在整个传感器子窗口中则会优先显示出来。右下是视频监控的子窗口，将被选中的摄像头中的影像动态显示出来；（3）蓝牙设备的监控信息可通过蓝牙网络监控菜单所得；（4）整个科学实验园的电力电子系统的监控是采用电力系统菜单实现；（5）视频网络监控菜单形成视频墙，可以观察到所有摄像头的视频，便于实施统一管理；（6）传感器的状态、门禁以及报警的所有信息都由监控日志菜单记录，同时可以实现保存、分析以及采样数据的功能。endprint

管理子系统的入口在监控子系统的下侧，在输入第二密码之后便能够进入其中，实现对内容的审阅和修改。

3 学校科学实验园设计要求

学校科学实验园的设计离不开对物联网的需求。一旦实验园中出现一些问题，如有毒气体的泄露、实验设备的故障以及植物的凋亡等等问题，都能够通过物联网实时监控的条件下及时进行处理。从上图能够看出，传感器能够及时发出警报和报警，为学生和教师创建一个安全的实验园环境，从而进行有效的科学实验，做出更大的成果。

4 学校科学实验园系统的创新

4.1 安全管理模式

传统的学校科学实验园安全管理一般来说是人工监控或者创建相关安全管理制度。在这种模式下加大了实验园教学人员的工作量，导致工作难度加大，在实验过程中无法集中精力，导致出现一系列安全事故。在实施本系统的安全管理之后，全天24h都能够对实验园的情況进行全方位监控，严格的报警和预警设施创建了更加安全的实验园环境。

4.2 实验园安全监控技术

从当前大多数学校的实验园安全监控技术来看，确实是一项重大缺失，大多数学校在建设实验园时并没有安全的监控设施，导致实验园内一些有毒气体、温度、湿度在不合理的情况下也无从得知，而此系统的设计实现了对学校科学实验园的安全监控的技术创新。

4.3 物联网技术

学校实验园监控的方式可通过客户端电脑进行，也能够利用移动智能收集，是数据的一种控制和交互，充分发挥了典型物联网系统的作用。

4.4 动植物配置

传统的学校实验园更加注重的是科学技术的实验，迫切得到更大的成就，而本次学校实验园的建设从环境和生态上为学生和教师提供了更高服务，在物联网技术的监控下保证了实验园整体环境和温度的适宜。

5 结语

综上所述，物联网作为世界信息产业发展的变革，更是当代互联网技术的衍生。本系统充分发挥了物联网技术，设计并研究了学校科学实验园，在多个方位实现了对学校实验园的合理开发以及监控，在保证教学工作人员自身安全的条件下，提升学校科学实验成果；同时在合理的动植物配置下增强实验园综合性质，为整体实验园的建设提供有效驱动力。本设计具备成本低、结构新颖、功能齐全的优点，同时稳定、高效，能够合理完善学校科学实验园的建设。

参考文献

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Abstract：This article discusses the design and research of the school science experiment garden under the control of IOT technology， analyzes the problems that appear in the construction of the school experiment garden， and puts forward the design ideas of the school science experiment garden and puts forward the solutions to design the school science experiment garden Provide a valid basis.

Key Words：Internet of Things；Science Park；design；researchendprint