智能实验室的研究与设计

张波 周广林 李金泽 李发英

摘要：该文在已有的对实验室的各项环境数据进行监控及显示的基础上，我们在此对该项目的研究进行扩展和优化，以达到智能实验室和移动端APP的切实联系，使得项目的研究不仅仅是停留在笨拙的数据获取与再现的浅显层面，通过阈值处理和wifi网络搭建协调器与移动端的双向通信的桥梁，实现设备的自处理和人对实验室内各项智能设备的信息反馈进行相应控制，实现真正意义上的智能控制。

关键词：智能控制;网络双向通信;移动端APP;阀值自处理

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）31-0251-02

1项目背景

本系统在第一阶段的工作中展开。在第一阶段的工作中：除了对整个系统的研究和设计进行了总的规划外;硬件方面，主要完成了各類环境类型传感器（如温湿度传感器、可燃气体传感器等）的布置、职能划分、硬件编码和数据的单向传输（数据流由终端到协调器）;软件方面，开发了简约、美观的APP对协调器所回传的数据以实时的数值进行接收过滤、统计、格式化和展示。本文正是在这种背景下展开的。

2概述

第二阶段的设计目标是：硬件方面，通过编码的方式，实现灯光控制、窗帘控制、风扇控制、门窗监视和通风换气等功能;软件方面，借用第一阶段的Android界面，新增阈值处理和语音识别技术;软硬结合，实现实验室的智能化管理。

3关键技术介绍

3.1 Zigbee网络双向通信

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。

3.2阈值自控制

由人来对各种传感器传回的信息进行选择控制是不及时且不现实的。在传感器代码编写时，通过给定某一类传感器一个环境阈值，使得当环境信息超过或低于阈值时，由传感网络自行判断对当前的环境做出何种反应，以此来提高系统的反应速度和资源利用率，降低使用者的压力。

3.3语音识别

语音识别技术，也被称为自动语音识别Automatic speechRecognition，（ASR），其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入。在设计APP时结合讯飞语音识别技术开发了语音操作模块。该模块界面中给出相应的关键词提示，以便在用户不便手指操作时通过关键词语音的方式，操作传感器完成相应动作。

4需求分析

4.1系统功能需求

本系统主要由灯光控制系统、窗帘控制系统、风扇控制系统、门窗监视系统、通风换气系统五大模块构成。硬件方面主要是通过各种传感器和Zigbee技术实现，软件方面是通过An-droid实现。

5概要设计

5.1总体设计

硬件结构如图1：软件结构如图2：

6详细设计

6.1硬件设计

硬件的详细设计主要围绕着硬件的部署和硬件各部分的协调控制进行展开的，各个部分的工作方式及触发条件，我们主要从以下五个方面进行阐述：

1）灯光控制系统：

灯光控制系统由光照传感器、人体红外传感器、窗帘控制系统联合组成。通过光照传感器判断室内亮度，当室内亮度超过最高阈值时，传感器自动工作，灯管控制系统工作关灯，若低于最低阈值时，则自动开灯;人体红外传感器判断实验室当前情况下是否有人在，若室内无人，则窗帘控制系统工作拉上窗帘，灯光控制系统工作关灯，反之，处于关闭状态。

2）窗帘控制系统：

窗帘控制系统由光照传感器、继电器、步进电机发挥主要作用。采集光照传感器的数据并分析，根据编码时的预设值，来控制窗帘的自动开、关来实现实验室内的光照补偿，节能减排。

3）风扇控制系统：

风扇控制系统由温湿度传感器、继电器、人体红外传感器参与控制。通过温湿度传感器监测室内温度，通过分析数据，根据编码时的预设值，当室内温度高于最高阈值时，继电器控制开启风扇。当室内温度低于最低阈值时，自动关闭风扇。同时当人体红外传感器检测到室内无人时，风扇自动关闭。

4）门窗监视系统：

门窗监视系统由红外对射装置主导，设置敏感时间唤醒安装在门口的红外对射装置，当有人试图非法进入时，信息通过网络传输到楼层管理员的APP账号，APP进行逻辑判断后发出报警，警告有人非法入侵。

5）通风换气系统：

通风换气系统由抽风机、可燃气体传感器等器件构成。通过可燃气体传感器监测室内可燃气体（甲烷）浓度，通过分析数据，根据编码时的预设值，当室内可燃气体浓度高于危险值时，自动开启抽风机，排除室内可燃气体，以免发生危险。

6.2软件设计

软件的详细设计，基础第一阶段的雏形进行扩展，我们在硬件代码编写时，加入了预设值的判断逻辑块，使得传感器网络能够根据阈值自行处理一些简单的事务;APP方面进行了界面的美观和代码的重构，并添加了强大的讯飞语音输入模块，支持“懒人”操作。

新增功能：

阈值自处理：在系统中设置阈值，当低于或大于某个阈值时，系统能够执行相应的功能。

语音识别：当收到语音指令时，能够执行相应语音指令，如：开关灯、风扇的开关等。

7总结

高校实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。

本系统实现灯光控制、门窗监视、窗帘控制、风扇控制、通风换气等功能，不仅改变了传统的实验室管理模式，而且提供了一个简单、快捷、有效的管理方法，减少了实验管理人员，提高了资源的利用率。