基于物联网的开放实验室管理系统设计

柳春晓+柴雷刚+杨旭+杨斐+吕宁+郑齐操

摘要： 关键词： 中图分类号： 文献标志码： A文章编号： 2095-2163（2017）06-0114-03

Abstract： The open laboratory management system based on Internet of Things could realize the laboratory environment monitoring， from the temperature and humidity， light intensity， flammable gas and other aspects， so that the laboratory members can comfortably study in the laboratory. Firstly， by using radio frequency identification technology to achieve the checkin， access control function and the recording function of instrument equipment， the system not only ensures the safety of the laboratory anti-theft， but also automatically records the attendance of the laboratory personnel， reducing the inconvenience of manual recording information； besides， also records the use of laboratory equipment， effectively avoids the equipment loss. Next， the system can further remotely control the windows， lights， and so on， to facilitate the life of laboratory personnel； The data collection， transmission and processing between each module are completed by using ZigBee， various sensors and single chip microcomputer. After that， the research uses PC as the host computer， realtime records and displays the environmental information of the laboratory， therefore uploads data to Http server through ipv6 protocol. It is determined that every device can access the reasonable distribution position of the station by visiting the designed ipv6 website. The design of the system not only satisfies the needs of students for the realtime open laboratory， but also reduces the burden of laboratory management， and meets the open design requirements.

0引言

隨着高校实验室开放功能的发展确立，越来越多的学生也选择在课余时间进入实验室来学习一些专业技能，导致实验室的人员不断增多，人员的流动性也随即攀升，实验室在管理方面的工作量日趋繁重。这就要求实验室引入新的管理模式，来减轻实验室管理的负担和成本。现在大多的实验室都是采用人工管理为主的方法，要改进已经建成的实验室管理，采用物联网技术就是一个良好有效的解决方案。

物联网是指通过射频技术（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与因特网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，在物联网中，物与物、物与人之间是能够相互通信的。综上分析可知，物联网的特性则能全面解决开放型实验室管理过程中存在的问题，也能使数据信息的交换和通信更加稳定，并且物联网技术已经在多个方面得到了突破性进展，对于实验室的管理与发展也提供了一个有利契机及选取模式。基于此，本次研究即将物联网技术融进了开放实验室管理系统的建设实践中，设计论述内容可具体展开如下。

1系统架构

该系统主要分为如下部分：环境信息检测模块、签到门禁模块、单片机控制系统、物联网信息交换模块、设备借还自动记录系统、远程控制模块、上位机信息处理显示模块。其中，环境信息检测模块包括温度、湿度、灯光等信息的检测和采集。签到门禁模块通过射频识别卡进行身份验证，来规范统筹实验室成员的签到记录和实验室的安全保障工作。单片机控制系统和物联网模块共同实现各个部分之间的控制和通信。设备借还记录系统通过射频识别和物联网联合构建而成，能够完整地记录每个设备的借还信息。远程控制模块主要由物联网来远程控制窗户、灯光的开关。上位机用PC机来支持系统功能设定，使各部分的数据可以被管理员实时查看，本系统的总体结构可如图1所示。

2远程节点设计

2.1门禁与签到模块设计

门禁与签到模块是实验室管理的基础组成部分，主要由物联网、单片机、上位机和射频识别构成。其中，射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。利用这一特点，可为每位实验室成员发放一专属成员卡，并且各成员卡均将发出不同的的电讯号，通过检测无线电信号的不同频率，来读取不同的成员信息，判断信息是否有效后将信息通过物联网传送到单片机进行数据处理，再由上位机给出结果展示。研究可得，针对门禁与签到信息的录入环节，设计模块的执行流程如图2所示。endprint

2.2环境监测模块设计

实验室环境检测模块设计也将成为本次实用研究的重点内容。该模块在操作研发上，可以定时检测室内温湿度、光照强度和可燃气体浓度，并按照设定值提供自动调节。当可燃气体检测超标时就会发出警报，环境检测模块的结构组成如图3所示。

由图3可见，环境监测模块中各部分的功能解析可分述如下：

1）温湿度检测。温湿度检测使用了DHT11温湿度传感器，这是一款自带已校准数字信号输出的温湿度传感器，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。可以将传感器摆放到实验室中的多个位置，定时将采集的温湿度信息由ZigBee发送到单片机，单片机将采集值与设定值做出比较，从而自动选取调节温度或打开加湿器等操作。

2）光照强度检测。人的眼睛由于瞳孔的调节作用，对于一定范围内的光辐射都能适应，但如果光辐射过强，就会对人们的正常生活和工作带来不利影响，并在一定限度上损害人体健康。为了避免如上研究问题，这里使用TEMT6000环境光传感器来实时检测实验室内的光照强度，当环境光亮度超标时，会及早提醒实验室人员调暗灯光。

3）可燃气体检测。各类实验室中都会配备使用到一些酒精、化学试剂等物品，这就容易产生一些可燃性气体，当实验室内可燃性气体浓度过高时极易发生火灾。研究可知，MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷、液化气的灵敏度较高，可以支持检测多种含一氧化碳及可燃性的气体，是一款适用于广泛背景场合的低成本传感器。这里使用MQ-9传感器，实时检测室内可燃性气体浓度，当浓度超标时会发出警报并自动打开窗户，能够有效预防火灾的发生。

2.3远程控制模块设计

远程控制模块的设计主要是为了智能化的便捷操作。例如，学生在离窗较远的地方想要开窗，将无需起身，只要通过远程控制，将开窗指令通过物联网发送到控制窗户的舵机就可打开窗户。另外，灯光由物联网控制继电器来调节，窗帘由物联网控制电机来实现，还可根据需要任意加入其他设备。远程控制模块的设计结构如图4所示。

2.4设备借用模块设计

开放实验室的管理工作中，必须正视的一个关键问题就是如何保障借出的设备不致丢失。为解决此问题，这里主要使用了射频识别技术，为每台设备中装入一个RFID标签，如此处理后，每台设备就相当于有了特定的“电子身份证”。借出时，利用学生一卡通认证后，即可将借用者信息记录下来，当设备归还后再将借用记录自动清除。全程无需人工记录，不仅省时省力，还不会出现环节记录错误。研究给出设备借用流程如图5所示。

3物联网网络层设计

MCU与Linux电脑之间通过串口协议建立交互，MCU将传感器的数据发送到Linux电脑，Linux端电脑通过如下指令开启http服务器：sudo service apache2 start。

網页服务器成功开启后，实验室监控数据可以发布到公网上，从而可为跨平台多终端设备提供访问。安卓、IOS等操作系统的设备只要打开浏览器，输入Linux电脑的IP地址，即可查看物联网实验室的实时数据。

Http服务器采用TCP/IPv6协议，拥有一个128位全球唯一的IP地址，由于ipv4地址紧缺，大部分ipv4网络都使用了NAT技术，基于此内网设备就都没有独立的公网IP。

本系统网络层采用ipv6突破内网封锁，不同网段的设备都可以通过这个全球唯一的ipv6地址访问到系统。

物联网是本次研究设计的通信中枢，将远程节点的数据通过物联网控制接收，并将接收到的数据发送到MCU，MCU对数据进行处理和分析后再通过物联网送回远程节点，完成动作。简单来说，就是为远程节点和MCU搭建一个无线的通信桥梁。4物联网应用层设计

过程中，由于该系统采用了Http服务器，因此也采用了超文本标记语言HTML5研发网页程序，并使用css编写网页前端，利用Javascript编写网页交互程序，最后通过Python脚本链接到Mysql数据库，记录整理并得到了网页运营日志。

5结束语

实验室是当今高校建设的重要组成部分，随着科学的进步，开放和智能已然成为日后实验室的发展方向。

在前期的调研过程中，发现一些高校实验室的管理水平仍属初级，并且实验室资源浪费严重。针对这一现状，本次设计通过物联网与射频识别技术的联合使用，实现了开放实验室的智能管理，有效地解决了部分实验室存在的人员记录、仪器借用和改造布线难等问题，优势合理地利用了实验室资源，从而大幅提升了设备的利用率。

参考文献：

[1] 夏春琴. 基于RFID的高校实验室管理系统设计与实现[D]. 苏州：苏州大学，2013.

[2] 刘媛媛. 基于RFID+Zigbee技术的开放型实验室管理系统设计[D]. 南京：南京邮电大学，2011.

[3] 陈素琴. 物联网数据采集系统统计[D]. 南京：南京邮电大学，2011.

[4] 朱洪波， 杨龙祥，朱琦. 物联网技术进展与应用[J]. 南京邮电大学学报（自然科学版），2011，31（9）：1-9.

[5] 李君. 实验室综合管理平台系统的设计与实现[D]. 青岛：中国海洋大学，2010.

[6] 王为，王春潮，李小昱，等. 关于开放式实验室建设的思考与探索[J]. 实验室研究与探索，2009，28（4）：272-273，276.

[7] 盛希宁，顾济华. 基于ZigBee无线传感器网络的实验室监控系统设计[J]. 电子工程师，2007，33（9）：67-69，73.

[8] 昂志敏，金海红，范之国，等. 基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现[J]. 现代电子技术，2007（10）：47-49，57.

[9] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[10]曾锐，徐朝军. 开放实验室管理理念及实现[J]. 实验室研究与探索，2002，21（3）：108-109，112.

[11]毕立祥，杜守旭. 加强仪器设备管理，提高设备使用效益[J]. 实验室研究与探索，2001，20（5）：124-126.endprint