基于物联网与云架构的实验室监督管理系统

2018-02-12肖华王亚刚

软件导刊 2018年12期

肖华王亚刚

摘要：针对实验室智能管理方案，为实现方便快捷的实验室监督设备，设计了基于物联网与云服务器的实验室设备监督控制系统。系统运用基于MQTT的无线Wi Fi模块采集实验设备数据，利用执行终端节点控制实验室设备，结合非阻塞式Node.js技术与MongoDB数据库搭建物联网服务器，将服务器部署在阿里云（ECS）服务器端，使用户可通过Wi Fi、4G在网页端检测和控制实验室设备。将网页与微信公众平台结合，进行智能交互，实现了实验室、物联网、微信平台三者结合。实验表明，系统性能稳定、成本低、灵活性强、实用性高，实现了实验室设备的智能管理。

关键词：物联网;云架构;实验室管理;B/S模式;微信公众平台

Laboratory Supervision and Management System Based

on Internet of Things and Cloud Architecture

XIAO Hua， WANG Ya gang

（School of Optical Electrical and Computer Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：With the advent of the IoE era， the laboratory intelligent management scheme is implemented to realize convenient and rapid supervision of laboratory equipment， and a laboratory equipment supervision and control system based on the IOT and cloud server is designed. The system uses the MQTT based wireless Wi Fi module to collect experimental equipment data， uses the execution terminal node to control the laboratory equipment， and combines the non blocking Node.js technology to build the IoT server with the MongoDB database.Finally， the server is deployed on the Alibaba Cloud （ECS） server side， and users can detect and control lab devices on the Web page through Wi Fi and 4G. This article combines the Web page and the WeChat platform public number to realize the intelligent interaction with the WeChat public platform. Then the lab， the Internet of Things and the WeChat platform are combined. The whole system has been tested and has the characteristics of stable performance， low cost， high flexibility and high practicability， and realizes the intelligent management scheme of laboratory equipment.

Key Words：Internet of Things; cloud architecture; laboratory management; B/S mode; WeChat public platform

0 引言

實验室是进行科研、教学最重要的场所，是科学研究的基地、科技发展的源泉，对科技发展起着非常重要的作用[1]。传统实验室具有管理方式相对落后、管理不便、远程监控缺乏、成本高等缺点[2]。随着物联网时代到来以及云平台普及，开发基于物联网和云技术的实验室监督管理系统能有效解决传统实验室监管不便等问题[3 5]。物联网的普及使智能家居得到了飞速发展，文献[68]都提出了不同的面向智能家居的物联网应用，但应用于实验室设备管理的物联网方案相对较少。文献[9]研发了一种基于RFID、无线传感网、嵌入式和Internet等物联网技术的实验室监控系统。文献[10] 设计了一种基于物联网技术、RFID技术的计算机实验室管理系统，使得整合计算机实验室各种纷繁复杂的海量电子设备以及软硬件系统成为可能。但是，以上研究并未真正考虑到低成本、灵活性、跨平台的实验室设备管理。本文基于物联网和云架构技术，开发实验室设备监督管理平台，可以通过电脑或者移动终端实现对实验室设备管理和环境数据的查看与分析，将实验环境的温湿度、仪器开关量、颗粒浓度等参数传到云平台进行管理和分析，远程监控实验室设备的开关量和实验参数，还创新开发了基于微信公众平台的实验室管理平台，实现了灵活方便的实验室管理。首先介绍系统软硬件设计方案，然后对系统进行了相应测试，实验结果能达到预先要求。

1 总体架构

基于物联网与云技术，设计了面向实验室的监督管理系统，分为3个部分：硬件、云服务器和客户端。硬件部分采用搭载Wi Fi ESP8266芯片[11]的最小系統板，通过UART串口进行通讯，Wi Fi芯片通过连接互联网从而接入云平台，将实验设备参数等数据实时传递到云端;服务器部分采用Node.js平台，结合MongoDB数据库与Socket IO通讯协议，搭建Express 框架的Web服务器。客户端部分的测试平台借助于微信公众平台，采用HTML5的B/S模式[12]，具有天然的跨平台特性，使不同设备都能终端访问系统。系统整体架构如图1所示。

2 硬件设计

硬件部分主要由微控制器、无线收发模块、通讯串口模块、电源模块和时钟模块组成。硬件结构如图2。

2.1 微控制器

如图3所示，系统硬件集成Wi Fi功能，还嵌入一个超低功率32位微型CPU，带有16位精简模式，可以通过IBus、DBus和AHB接口访问存储控制器。NodeMCU在ESP8266基础上增加了一些外围的USB串口电路。软件上，NodeMCU引入了轻量化脚本语言Lua，支持事件驱动型API[13]。

2.2 无线收发模块

系统采用AI Thinker公司开发的ESP8266超低能耗Wi Fi模块。该模块集成IEEE802.11协议，支持无线802.11 b/g/n标准;内置TCP/IP协议，支持多路TCP Client连接;同时兼容3.3V与5V微处理器系统，采用串口与微处理器通信，微处理器可以通过串口输入AT指令控制该模块快速构建无线数据传输方案。

2.3 通讯串口模块

通信串口采用RS 485[14]，兼容主流工业设备，RS 485接口采用平衡驱动器和差分接收器组合，抗共模干扰能力增强，抗噪声干扰性好。只需要两根通讯线，便可实现两个或两个以上设备之间的数据传输。

2.4 电源模块

由于无线传输模块ESP8266需要3.3V供电，所以采用AMS1117 3.3型电压转换芯片为系统提供3.3V稳压电源，如图4所示[15]。AMS1117 3.3是一个正向低压稳压器，在1A电流下电压降为1.2V，具有1%的输出精度。同时，在电路输入端、输出端都加入了极性电容和旁路电容，该设计具有良好的去耦合和滤波作用，保证了电源电路的稳定性。AMS1117内部集成有限流和过热保护电路，可以防止环境温度异常导致硬件损坏，可较为安全地应用于各种便携式设备。

2.5 时钟模块

时钟芯片采用PCF8563，为系统提供精确时钟信息[16]。PCF8563有16个8位寄存器，其中包括一个可自动增量的地址寄存器、一个内置32.768KHz的振荡器（带有一个内部集成电容）、一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟）、一个可编程时钟输出、一个定时器、一个报警器、一个掉电检测器和一个400KHz的I2C总线接口。

3 软件设计

系统采用B/S架构，实现了跨平台性，将HTML网页嵌入微信公众平台，实现了微信公众平台的设备管理。系统软件设计分为设备感知层、服务器和系统应用层。其中，服务器包括MQTT服务器、Web服务器、静态网页服务器、微信消息服务器等。将服务器搭建在阿里云服务器上，并在各大服务器中采用ngnix负载均衡分发请求，从而使各大服务器更好地配合工作。系统软件整体框架如图5所示。

3.1 设备数据采集与传输

如图6所示，采用通用串口RS 485与设备进行数据通讯，运用Arduino集成开发环境对Wi Fi模块进行编程，实现数据传输功能。首先启动Wi Fi模块的“AP模式”，扫描可用的Wi Fi接入点，连接到Wi Fi网络。Wi Fi模块便可通过TCP/IP协议，将设备参数如温度、湿度、颗粒浓度等循环上传到MQTT服务器[17]。

3.2 MQTT服务器

消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Tran sport，MQTT）协议是由IBM开发的基于TCP/IP的轻量级发布/订阅消息传输协议[18]。MQTT的生态非常完善，支持多种语言开发，本文系统中采用Node.js搭建MQTT服务器，Node.js自带mosca模块可以快速搭建服务器，MQTT服务器负责设备、Web页面、服务器之间的通信。搭建服务器的部分代码如下：

var mosca = require（"mosca"）;

var server = new mosca.Server（

{ http： { port： 3000， bundle： true， static： './' } }）;

server.on（'ready'， function（）{

console.log（'mqtt server started'）; }）;

server.on（'published'， function（packet， client）{

console.log（'Published： '， packet.payload）; }）

server.on（'subscribed'， function（topic， client）{

console.log（'subscribed： '， topic）; }）;

3.3 Web服务器

设备上传数据由MongoDB数据库进行存储并备份。为实现HTML数据的缓存效果，还用到了非关系型数据库Redis，减少数据库高频次访问，降低服务器压力。浏览器端和数据库通过Websocket協议与数据库通信，它具有更轻量级的头信息，提高了通信效率。为实现网页端数据动态请求与交互，运用PHP和Ajax技术，实现HTML无刷新加载。Web服务器原理图如图7所示。

3.4 静态网页服务器

网页服务器通过HTML+CSS+Javascript 搭建人机交互界面。其中包含实时数据曲线图、历史数据曲线图和设备控制界面图。JQuery实现前端到后端的数据响应请求，数据图表运用Highcharts图表库实现[19]。

3.5 微信消息服务器

调用微信JSDK的Airkiss接口配置设备Wi Fi模块[20]。为实现与微信公众平台的交互，如快捷查看设备状态、设置设备参数等，搭建微信消息服务器，负责根据指定的业务逻辑对消息进行处理，响应服务器请求，并将响应消息反馈给用户。

4 系统运行与测试

为实现对实验设备的监控管理，设计了实时查看设备数据、查看历史数据（一天前、一个周期前等）、在线控制设备、设备共享、设备定位、微信交互等功能。在实验室路由器下用AirKiss配置设备联网，然后进入控制设备界面。为了验证系统可行性和性能，使用温湿度控制器作为对象进行测试。如图8所示，前两张图为实时查询热电偶温度值和曲线，后两张图为在线控制现场对比，在线设置温度为45℃，上位机即可调成45℃，在线设置运行时间为2min，上位机从零开始计时，基本无误差，实时性强。

5 结语

本文设计了基于物联网和云平台的实验室设备管理系统，能够在不安装任何客户端的情况下，使用不同设备都能终端访问系统，让用户可以远程管理实验室设备。但是仍然有待改进，比如随着5G和高带宽网络普及，可加入视频监控功能。若结合人工智能和最新网络技术对此进行深入研究，将会给用户带来更好的控制、监测体验。

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