基于“互联网+”的实验室智能管理系统的设计与实现

黄鸿锋

摘要：针对传统人工进行实验室管理存在需要实验室管理人员多，管理人员无法及时掌握实验室情况，出现忘记关电、关窗造成电源浪费和设备损坏等情况，基于“互联网+”，综合运用网络通信技术、物联网技术、自动化控制技术和软件技术，设计开发实验室智能管理系统。管理人员通过系统可及时掌握实验室的实时情况，实现实验室的智能化管理，更好发挥实验室作为学校科研和人才培养重要平台的作用。

关键词：互联网+;实验室;智能化管理;Android;Socket

中图分类号：TP18 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）10-0235-03

1背景

随着计算机网络技术、智能控制技术和物联网技术的发展与广泛推广应用，综合利用各种技术和计算机软件的智慧管理已广泛应用于智慧交通、智慧农业、智能家居等各个领域。实验室作为高校重要的教学和科研平台，是保障学校正常教学开展和科研社会服务的基础，而在传统的实验室管理中，主要是设置相应的实验室管理岗位，专人进行实验室的管理，但随着高校的扩招，高校的实验室及实验室的设备不断的增加，由于实验室岗位人数的限制，致使实验室管理人员无法做到对实验室的精确管理，出现实验室管理人员无法及时掌握实验室情况，出现忘记关电、关窗造成电源浪费和设备损坏等情况，造成学校财产损失的同时还无法保障学校正常教学和科研社会服务，影响学校的发展，针对以上情况，基于“互联网+”技术，设计开发实验室智能管理系统，管理人员通过系统可及时实时掌握实验室的情况，实现实验室的智能化管理，更好发挥实验室作为学校科研和人才培养重要平台的作用。

2系统架构和整体方案设计

基于“互联网+”技术设计实现的实验室智能管理系统，从功能上把实验室智能控制系统分为两部分：分别是Android手机监控软件平台和数据采集终端及控制。数据采集和控制主要利用窗帘电机来实现窗帘开关，窗户电机实现窗户的开关，电器控制实现实验室照明系统，传感器监控实验室温湿度;An-droid手机监控软件平台通过对数据采集和控制端发送指令实现实验室的智能控制，主要包括登录模块、开关控制模块、照明控制模块、窗户和窗帘控制模块。系统两大模块，Android手机监控软件平台通过GPRS数据流量或者WIFI连接到云端服务器，数据采集和控制端通过网络技术连接到云端服务器，同时通过WIFI连接到数据采集和控制端，系统总体框架如图l所示。

由智能控制和网关等设备组网形成底层无线传输网络，数据采集终端安装于实验室现场，利用信道网络实现节点与协调器间的信息传输;对ZigBee节点的接口编程，对传感设备进行控制，实现实验室环境数据的采集与控制，达成实验室的智能控制。

为实现系统在整个互联网上运用，实现管理人员无论在何地，只要有网络即可利用系统实现实验室的管理，利用云端服务器将系统在互联网上部署，实现系统网络应用。通过端口映射将外网主机IP映射到内网提供服务。用户访问云端服务器对应的端口时，自动将请求映射到内部主机，然后在服务器上安装JAVA环境，并将服务器程序上传到云端服务器。在手机客户端和信息机OT程序添加云端服务器的IP地址和端口映射端口号即可。

实验室温湿度数据的采集通过温湿度控制模块处理。通过编写程序指令控制开发板，从而控制电机的转动方向和动作，实现窗户、窗帘和风扇的开关。多功能显示版模块控制开发板发送指令，实现照明和空调的开关。通过以上功能实现实验室的智能管理。

3实验室智能管理系统功能实现

3.1通信模块

针对本实验室智能管理系统，基于Andriod对TCP协议有很好的支持，TCP协议是一种面向连接的传输控制协议，具有面向连接、可靠性、准确性强和全双工的特点。基于系统使用的可靠性，通信传输协议选择TCP协议。TCP协议通信实现具体过程：首先客户端向服务器发送SYN包，并进人SYN_SEND等待服务器确认状态，服务器收到SYN包确认后向客户端返回一个SYN包，同时服务器进入SYN-RECV状态，当客户端收到服务器返回的SYN包向服务器发送ACK确认包，服务器收到ACK确认包后客户端与服务器即建立了有效的通信连接。TCP协议工作方式具体过程如图2所示：

Socket是支持TCP/IP协议的网络通信方式，通过Socket编程可为其他应用协议的提供通信。本实验室智能管理系统移动端与服务器端的通信采用Socke通信方式实现，具体过程是创建Socket对象，打开通信输人输出流。Socket通信包括面向连接的Socket通信和无连接的Socket通信，面向连接的Socket通信首先要启动服务器，通过Socket0函数调用Socket对象，其他其次通过Bind（）函数绑定本地网络IP地址和Socket对象，然后调用listen0函数使Socket对象处于侦听的状态。

Socket服務器通过网络服务客户端的请求和数据的收发处理，利用JAVA语言实现Socket服务器，客户端通过IP地址和端口号与服务器建立请求连接和数据收发。Socket客户端对象使用Android实现，并与服务器IP和端口绑定，实现阻塞的acceptfl函数实现服务器等待客户端接入，当双方IP与端口匹配成功后，双方则建立了有效的连接，客户端调用read0和writeO函数进行数据收发。服务器和客户端Socket通信实现流程如图3所示。

3.2登录模块

系统用户输人管理人员分配的用户名和密码即可登录系统，登录后系统自动载入主界面，用户通过系统主界面的功能按钮即可快捷地对实验室进行控制管理。系统登录流程图如图4所示，系统登录界面如图5所示。

系统登录成功后跳转到实验室智能管理功能控制主界面，如图6所示，在功能控制度界面上有控制实验室的功能面板，如窗户、窗帘、温度、照明和空调等。点击对应的功能控制按钮实现对应的设备操控，方便管理人员使用。

3.3开关控制模块

要实现控制实验室中窗户、窗帘的开关，需要开关控制继电器实现，系统中窗户、窗帘等的开关控制利用继电器控制实现。本模块通过网络实现远程获取和控制实验室窗户、窗帘等的开关。开关控制模块是实验室控制管理所有开关操作设备打开和关闭的集合，管理人员点击对应的开关，Android手机监控软件平台发会远程发送相关指令给对应的设备和数据采集终端，对应的设备接收到指令后就会执行命令动作改变对应的状态，并将采集的开关终端状态数据传输到移动端。应用程序会实时获取开关的状态并刷新显示。用户也可以通过开关控制按钮实现开关的控制。开关控制模块底层硬件实现由Zig-Bee主控制模块收到由从控制模块传送的信息后，智能家居信息机控制系统进入接收信息状态;在接收完数据后主控模块切换到发射模式，返回反馈的信息。CC2530将接收到的数据传送给信息机，经处理后在显示家居设备的状态，同时启动监控系统，数据写入内存，通过信息机的网络接口与无线路由器相连，内存数据通过网络上传到指定服务器中。开关控制底层硬件模块组成及连通框图如图7所示。

3.4照明控制模块

本模块的功能是实现实验室光线照明的调节。由于在各不同的实验环境下光线照明亮度需求会不相同，通过调节每个实验室的照明度，可以实现不同实验室的照明条件需求并节能环保。

照明控制模块界面的也是通过相关的功能按钮实现照明的操控。因照明变化快，所以有照明度改变请求时，应用程序实现每秒从数据终端获取当前照明数据值并显示在程序界面。直到照明度达到要求时停止。刷新按钮则实现照明数据的再次读取并显示。读取的数值会在图8的环境数据状态显示。

4系统功能测试

4.1底层网关通信及数据采集测试

为测试系统数据通信的有效性，保证实验室管理的稳定性，对系统底层网关通信及数据采集进行测试，通过测试在底层信息采集过程会出现网关信息机无法接收到或是只能部分接收到硬件層传感器信息和无法控制设备现象。对测试出来的问题进行分析，排除传感器和电控设备本身不存在损坏并能正常工作之后，主要问题出现在Zigbee数据传输的过程中，在某些时候Zigbee协调器掉电的情况下，某个传感器在一定时间寻找不到网络之后会进入休眠状态，这个时候要重新触发，或是重新重现按照先启动信息机网关，再依次给每个传感器通电，这样可以保证每个设备正常连接。如果还出现上述问题或是传输不稳定，在传输信道固定的情况，最好把每个Zigbee模块PAN_ID固定四位十六进制数，不要采用默认的OXFFFF值，否则会出现传输过程PAN_ID值动态变化而传输数据不稳定。

4.2系统安防监控功能测试

系统中除控制实验室管理功能外，还有实验室的实时监控安防设备，实现实验室的安防监控管理，通过测试，在网关信息机中能正常接收控制设备且手机正常连接4G网络的情况，APP应用软件实现接收和控制部分传感器和设备情况下，测试到315M类和433M类的安防设备没有数据返回。针对此问题，在实际测试使用多个移动终端连接智能家居系统，315M类和433M类的主动上传安防设备连接到移动终端后，在服务器端口会保存该IP地址，当关掉该移动终端设备后再连接其他设备会出现315M类和433M类无法获取数据。出现该情况可以全部断开连接的移动终端，重新启动网关信息机无线连接，使用一台设备连接可以恢复通信;或者在服务器端口中不断刷新IP存储空间以获取新的连接设备实现该类传感器信息。

5结束语

实验室智能管理系统以“互联网+”技术框架为依托，综合利用网络通信、物联网和软件技术设计并实现了实验室的智能远程控制管理，系统由Android手机监控软件平台和数据采集终端两部分组成，各部分独立并通过内网、公网和云端服务器实现通信连接和数据存储，保证了该系统具有较高的扩展性、维护性和应用性。客户端软件采用Android操作系统为平台搭建，Android的广泛应用性，高可靠性等特点，能有效降低本实验室智能管理系统的开发成本，同时有利于系统后续的升级。同时目前基于Android的应用程序已经日益丰富，有助于增加各类设备的控制和应用功能。通过系统各功能实现实验室的智能管理，为更好发挥实验室作为学校科研和人才培养重要平台作用提供智能管理支撑。