Android@Laboratory智能实验室的研究与设计

张波　周广林　李金泽　李发英

摘要：本文從实际应用需求出发，阐述了当前高校实验室在人工管理模式下存在的弊端以及智能实验室研究的必要性，分析了当下无线传感器网络技术在智能家居、智能建筑等方面的发展，结合时下最深入人心的互联网技术和基于android系统的移动端APP设计，从节约资源、高效管理的角度对智能实验室进行研究和设计，为今后高校实验室在管理模式上的改善提供可靠的技术手段和实施模型。

关键词：无线传感器网络技术；互联网技术；Android系统；移动端APP

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）27-0234-03

Research and Design of Android@Laboratory Intelligent Laboratory

ZHANG Bo， ZHOU Guang-lin， LI Jin-ze， LI Fa-ying

（School of Software and Communication Engineering， Xiangnan University， Chenzhou 423000， China）

Abstract： In this paper， starting from the actual application requirements， this paper expounds the current laboratory of colleges and universities in the existing disadvantages of manual management mode and the necessity of intelligent laboratory research， analysis of the current wireless sensor network technology in the development of smart home， intelligent buildings， combining the most pervasive Internet technology and mobile APP design Based on the android system， from the Angle of resource saving， efficient management， to research and design of intelligent laboratory， laboratory in colleges and universities in the management mode of improvement for the future to provide reliable technical means and implementation model.

Key words： wireless sensor network technology； Internet technology； Android system； mobile APP

1 概述

物联网是在计算机互联网的基础上，利用传感器、无线数据通信等技术，实现物与物、人与物、人与人之间的通信，进而达到方便识别、管理和控制的目的；同时物联网将以用户体验为核心的创新作为其发展的内在灵魂，而基于Android系统的移动端APP以其简约的视觉界面、贴心的用户功能、便捷的操作方式更是创造了良好的用户体验，博取了大量用户和设计人士的芳心，成为现代社会最受青睐的热门技术之一。毋庸置疑，当我们将这两项技术应用于智能实验室时，将更加方便我们对事物的管理和控制。

2 智能实验室研究设计的必要性

科研是高等教育三大功能之一，实验室的工作水平是一个高校科研水平的基本标志。随着教学方式和科研水平的不断发展，实验教学的重要性也在逐步加强。目前高校实验室的管理模式仍是以传统的人工管理为主，依靠任课老师和管理人员的长时间监管和不定时的巡查保证实验室日常的运行，这种传统方式，不仅管理效率低，而且在一定程度上浪费了人力、物力、财力。随着高等教育的不断普及，学生增多、实验室和实验设备的增多，这种弊端将日渐显现，拖累高校教育人才的初衷。因此，利用科技、网络手段管理实验室，不仅能提高实验室的管理效率和水平，而且使高校的教师学生们能够紧跟时代浪潮，感受科技带来的便利，提高学习的积极性。

3 关键技术介绍

3.1 无线传感器网络技术

无线传感器网络是一种分布式传感网络，是用大量的传感器通过自组织和多跳的方式构成的无线网络，由于独特的组网方式，其网络设置十分灵活，可以和互联网进行有线和无线方式的连接，甚至设备位置受到更改也丝毫不影响信息的传输。无线传感器网络由传感器、感知对象和观察者三大要素组成。由于传感器种类众多且价格廉价，可探测包括温度、湿度、移动物体等多种物理量，因此其应用十分广泛，包括军事、环境监测、医疗卫生等诸多领域；通过在需要监测的区域部署传感器节点，以无线通信方式形成网络系统，使节点与节点之间协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息并发送给观察者从而实现对事物有效的监测。

特点：大规模、自组织、动态性、可靠性、集成化。

3.2 Arduino微控制器

Arduino是一款开放源代码的单芯片微控制器，能够接收各式各样传感器传送回来的信息并通过指定串口显示器将信息显示出来。使用ArduinoIDE对Arduino进行编程并烧录进开发板，就能使之通过代码判断信息类型，控制马达、步进电机等其他元件对某个传感器的周遭环境信息进行处理并反馈。Arduino是一款便捷灵活且开源的电子实验平台，具有简单上手、清晰明了等特点，ArduinoIDE采用类似C、Java这类热门语言作为开发语言，降低了大多数人进入智能硬件设计的门槛。除此之外，Arduino实现了跨平台的信息传输，可以通过蓝牙、Wifi等和PC上运行的软件进行实时通信，满足了不同人群、不同应用环境对智能硬件的应用和信息控制。

特点：跨平台、简单清晰、开放性、发展迅速。

3.3 Android系统

Android系统是基于Linux内核设计的完全开源的操作系统，目前广泛应用于移动设备。作为操作系统，Android系统采用并设计了应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux内核层共四层的分层结构（结构图如图1）。而作为移动端，由于其源代码的对外开放，使得Android系统的适应性和可扩展性得到了充分的发展；它可以不受任何运营商的制约且硬件选择性多样，因而赢得了大量的用户的青睐、吸引了许多开发者和企业的加入，除此之外，各式各样SDK工具的出现并实现同Android系统的无缝结合，使得移动端设备的功能更加多样化。Android操作系统已然成为全球最大的智能手机操作系统。

4 智能实验室设计

4.1 硬件设计

硬件设计以Arduino作为微控制器，除微控制模块之外还包括温湿度监测模块、气体消防模块、门禁模块、灯光节能模块、LCD1602显示模块五大部分。各个部分由Arduino微控制模块进行控制，通过无线通信接收和传递消息。其中：

温湿度模块和气体消防模块配置舵机，实现对窗户、窗帘、消防栓在一定程度上的自控制，并在LCD1602液晶板上实时显示数据；

门禁模块配置蜂鸣器和RFID识别，通过刷卡进入，同时也实现了学生上课签到的功能，当有没刷卡的人员进入，蜂鸣器报警；

灯光节能模块采用PWN法控制亮度；

同时所有数据通过Arduino IDE编写的程序打包送到本地tcp/ip服务器，实时显示在客户端APP上。硬件结构如下图：

4.2 软件设计

软件设计主要是对APP客户端的设计。主要包括数据库创建、服务器的搭建、用户界面设计三个部分。

APP设计采用AndroidStudio作为开发环境，实现用户登录界面、用户信息界面、传感器信息实时统计图界面、学生信息界面；

数据库使用MySQL关系型数据库，其中存放传感器所收集的各类信息、学生信息、管理员和教师信息，用于对实验室信息及时处理和展示以及提供门禁支持；

服务器的搭建方便信息的传输和APP远程控制。

软件设计结构图如下：

4.3 APP使用说明

4.3.1 用户登录界面

新用户即学校新教师或新的管理员首次登录时，需使用教师工号进行新用户注册，教师工号由数据库管理员在新教师入校前提前录入进学校教职工数据库（实际使用中此数据库为学校现有数据库，无需另建）作为主码；一体如常，同样提供了账号申诉功能。界面如图4所示：

4.3.2 角色功能界面

所谓角色其实是指教师和管理员。管理员具有比教师更高的权限控制，以便对数据库的运行进行日常的维护和更新，并对实验室的传感器进行定期的测试与维护；相对于管理员，教师的职责更体现在授课解惑，因此在APP里除了体现智能实验室的内容外，还从门禁功能中延伸出了学生签到，学生通过RFID射频识别卡刷卡签到，教师从APP里查看学生到课率。以学生签到功能为例其界面如图5：

4.3.3 传感器信息界面

传感器信息的加工和统计是智能实验室的核心；通过Arduino模块处理后的信息送入到服务器端数据库，然后通过APP访问数据库将信息取出，以折线图的方式显示在客户端。其中信息的取出分为休眠时刻和工作时刻；休眠时刻即APP程序在后台运行时，本地数据库周期性向服务器索取数据更新自身；工作时刻即APP运行时，数据库即时获取数据即时加载显示。除此之外，智能的核心更体现在控制上，通过关键词输入并发送到服务器，服务器将关键词与Arduino操作匹配成功后指示相应部件产生响应，从而达到远程控制的功能。温度传感器功能界面如图6，通过下拉菜单可选择不同的传感器，不同器件设计有相适应的界面，以实现界面简易化、友好化。

5 总结

高校實验室的智能化所带来的不仅仅是管理模式上的改进，更为重要的是，运用科技、改变生活的实践活动与学生更加贴近，学生能更加真切地感受到科技所带来的变化，激发起学习的兴趣，提高教育质量。

参考文献：

[1] 黄丽军.基于ZigBee技术的简单无线传感器网络的研究[J].福建省广播电视大学，2013，2.

[2] 王慧渊.基于物联网技术的智能实验室的研究与实现[D].杭州电子科技大学，2014，1-5.

[3] 基于ARDUINO的智能家居设计实现[D].西南科技大学毕业设计.豆丁建筑网，2017：6-8.

[4] 刘云浩.物联网导论[M].科学出版社出版，2013：6-11.

[通联编辑：梁书]