基于物联网技术的实训室智能管理系统设计

2019-11-16刘英明

电子技术与软件工程 2019年20期

文/刘英明

当前，物联网技术以其独特的全面感知、智能处理和无处不在等特点受到了广泛的应用，在全球一体化的趋势下，高效的实验室管理与信息化建设受到了越来越多的重视。本文所研究的系统以促进信息技术与教育教学的深度融合为核心，不断创新教育信息化建设的新模式，加强数字化校园应用平台建设和优质数字教育资源建设与共享，以便更好的服务于教学、科研和管理，提升综合实力，发挥示范引领作用。本系统主要实现实训室智能门禁管理，包括采用云存储的门禁系统，软件系统包括PC端应用程序、手机应用小程序等。

1 系统总体设计

系统采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi组网模式，管理中心与各个门禁控制器之间采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi通讯。系统保障了数据整体的高速传输，同时能够大大提升可挂载的门禁控制器数量，满足很多应用场景的使用。控制器存储的大容量保障了在网络不通畅时门禁系统依旧可以正常的工作，正常的记录各种事件和信息。减小系统对管理中心的依赖，使系统的应用更为灵活。如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统将物联网技术在智慧生活如智能家居、智能楼宇等方面的部分结构和特性应用到智能实训室管理中，为物联网技术的新发展提供全新的思路。基于物理网技术的实训室智能云管理平台主要包括硬件系统和软件系统两部分，其中硬件系统包括如下模块：

2.1 门禁控制器模块

图1：系统总体架构图

具有远程网络控制功能，用户可以通过广域网，实现对门权限的远程控制。同时，门禁主机本身已具备计算、存储的功能，相当于一台小型计算机，云端通过网络把此门的权限信息下载到门禁主机，门禁主机存储这些权限信息，即可不依赖于网络频繁访问云端，门禁主机能自动识别、读写、存储进出人员的资料，也可更改人员权限或读取出入记录等。

2.2 监控模块

采用带IP的云台视频监控摄像头，实时监测实训室内情况，并且可实现云台控制。信号采集电路主要包括接近开关、人体感应开关、烟感传感器等。

2.2.1 系统主控模块

采用Atemga128单片机为控制核心模块，32个可编程I/O口，16KB的可编程Flash，它具有高性能、低功耗以及运算速度快、处理能力强等特点，支持扩展的片内调试功能。

2.2.2 信号采集模块

信号采集电路主要包括接近开关、人体感应开关等。

接近开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而是否有物体经过。所有能反射光线（或对光线有遮挡作用）的金属或非金属物体均可以被检测。光电接近开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

人体感应开关也叫红外感应开关，当有人从红外感应探测区域经过便自动开启检测，其主要器件为人体热释电红外传感器。由于人体温度会恒定在37摄氏度，会发出10微米左右特定波长的红外线，人体感应开关的红外探头能探测到人体发射的10微米左右的红外线从而进行工作。

3 系统软件设计

物联网平台是一个灵活可配置的软件系统，通过简单的操作，用户可以增加、删除传感器类型，可以增加、删除传感器控制命令，还可以对协议进行修改。智能实训室中间件层提供以用户为中心的融合业务层，提供用户接口和不同制式的智能实训室服务。通过智能实训室组网多层协作的自适应QoS，自适应匹配异构网络及终端设备，充分保证端到端的媒体、语音、安防等多种业务的服务质量。

物联网管理平台与传感器网络之间按照《网关节点接口协议》进行通信，与应用程序之间按照《中间件与应用程序通信协议》进行通信。通过该平台，应用程序可以与传感器网络相互通信，获取数据物联网网关可以连接使用TCP/IP、GPRS等不同网络协议的传感网。与传感网的sink节点间的通信报文为二进制数据流，与物联网应用之间的通信报文为类HTTP的精简UDP数据包并提供节点事件订阅和对传感网中执行器的控制接口。中间件层包括通讯和服务协议、数据库两部分。

3.1 系统控制设计

系统控制上电后首先将进行单片机的初始化设置，如引脚的功能设置、时钟设置，串口设置等；然后发送命令开启通信模块TC35，并作相关设置，然后通过发送AT命令来控制TC35进行信息的收发。

3.2 TC35通讯设计

TC35收到信息时，其能够通过串口发出相应提示信息，单片机也可以通过串口向其发送各种控制命令和待发送的消息内容。

TC35模块通过AT+CMGR指令判读短信来电，并与事先写入单片机EEPROM的授权的认证信息等内容进行比对，即可执行相应控制动作。现场报警传感器触发时，系统则立即将对应的消息内容发送给远程的系统管理员。

3.3 通讯和服务协议

物联网网关可以连接使用TCP/IP、GPRS等不同网络协议的传感网，与传感网的sink节点间的通信报文为二进制数据流，与物联网应用之间的通信报文为类HTTP的精简UDP数据包并提供节点事件订阅和对传感网中执行器的控制接口。

通讯和服务协议主要任务是把各种协议都转换成标准GPRS协议，协议转换节点包括Wi-Fi转GPRS节点、Zigbee转红外节点和GPRS转网口节点。Wi-Fi转GPRS节点采用核心板和底板的组成模式，其中核心板采用三星Cortex A8 S5PV210处理器，并且集成了USB Wi-Fi模块。底板采用Atemga128和TI CC2420芯片，实现了GPRS协议，底板和核心板通过高速串口相连，这样就实现了GPRS和Wi-Fi协议的无缝转换。GPRS转红外节点由无线模块和红外模块两部分组成。

3.4 数据库软件设计

数据库管理平台软件与传感器网络之间按照《网关节点接口协议》进行通信，与应用程序之间按照《中间件与应用程序通信协议》进行通信。通过该平台，应用程序可以与传感器网络相互通信，获取数据并执行查询、控制操作，协议的转换由平台来完成。物联网平台管理传感器网络，并对数据进行解析、存储，并为应用程序提供了访问接口。

物联网平台是一个灵活可配置的软件系统，通过简单的操作，用户可以增加、删除传感器类型，可以增加、删除传感器控制命令，还可以对协议进行修改。

3.5 网络终端可视化系统结构以及与中间件通信方式

物联网综合管理系统的客户端运行在PC的Web上，能够与中间件及数据库通信，获得物联网采集的数据并进行图形化显示。数据分为低速传感器数据以及中高速的视频数据，其中物联网各类传感器数据直接读取数据库，中高速视频通过《应用程序与传感网中间件通信协议》与中间件通信获得。本客户端可视化程序旨在对物联网相应的应用以可视化的方式进行展示。