基于物联网技术的智能空调性能测试实验室管理系统设计

韦留坤

（约克广州空调冷冻设备有限公司，广东 清远 511685）

0 引 言

智能空调性能测试实验室的主要控制对象是热工参数，具有非线性、时滞大等特点，同时存在较多的干扰因素，包括实验室门窗的开闭、实验设备的散热、室内人员的变动和移动等[1]。在实际的智能空调性能测试中，测试设备的规格型号不同，散热性能也不同，这就要求智能空调性能测试实验室控制系统需要具有良好的鲁棒性[2]。基于此，本文设计了一个基于物联网（Internet of Things，IoT）技术、传感器技术的实验室控制系统。

1 基于物联网的实验室管理系统功能

（1）预警功能。系统需要具备预警功能，通过传感器、视频监控等方式监测实验室的温度、湿度以及门禁等主要状态，如果发现异常，则需要第一时间向相关管理员发送短信或相关预警信息。

（2）远程控制。系统需具备远程控制功能，实验室管理员可以通过网络对实验室的门禁、设备等关键部分进行远程操控，如远程门禁认证、电力系统操控、照明系统操控以及设备系统操控等[3]。

（3）智能化管理。系统可以通过服务器软件进行各种智能化系统设置，如设置实验室的电源开启时间段和实验室人员可以刷卡进入实验室的时间段。

（4）无线传输。除了基本的有线网络之外，智能空调性能测试实验室还需要通过无线网络连接主机设备，实现无线通信。

（5）多网匹配。系统需要匹配不同的网络，包括局域网、广域网、移动网络以及Wi-Fi网络等，实现多网通信[4]。

（6）适应不同的工作模式和不同的用户。系统提供计算机操作、移动设备操作、平板触摸屏操作等多种操作方式。实验室管理员可以远程控制实验室内的相关电气设备，实验研究人员可以远程检查实验室中的实验进行情况。视频监控系统可以在现场采集视频信息并存储在服务器硬盘上，供客户端检索和回放。

（7）访问控制功能。基于射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）卡提供实验室门禁管理功能，实验室人员通过刷卡进入实验室，后台系统会自动记录人员来访时间、刷卡时间，可以进行考勤统计并根据实验室位置信息为实验室人员自动分配座位[5]。

2 基于物联网的实验室管理系统总体设计

根据智能空调性能测试实验室的特点进行控制系统结构层次划分，由于智能空调性能测试实验室对温度、湿度的要求很高，因此实验室控制系统需要具备较强的控制精度和鲁棒性。采用S3C2440单片机作为实验室中控单元，用于控制系统的各个模块。基于物联网的实验室管理系统基本框架如图1所示，主要包括终端模块、服务器、实验室中控以及传感器网络等。

图1 系统基本框架

控制终端主要包括温度控制终端、湿度控制终端、门禁控制终端以及通风控制终端等，各终端通过网络与系统实验室中控连接，基于传输控制协议/网际协议 （Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）协议通信，从实验室中控模块接收数据并对数据进行分析，根据指令进行相应操作[6]。实验室管理员和研究员都可以通过网络异地接入实验室服务器，基于具体参数分析数据库变化，访问记录将保存在数据库日志中，最后生成相应的指令并发送给主控模块。

实验室中控设置在实验室中，与服务器、无线传感器通过网络连接，传感器将数据传输至实验室中控，中控计算机处理数据后发送到服务器供用户查询使用。

无线传感器网络是系统的最底层，实验室的实时环境数据通过各类传感器发送给实验室中控，设备由继电器控制，RFID模块用于验证人员身份[7]。传感器网络采用分体式结构，以方便后期的设计、安装和维护。无线传感器网络中的每个节点分为两部分，即ZigBee节点和终端控制模块。ZigBee节点主要负责通信，终端控制模块主要控制终端设备[8]。在系统设计中建立分层框架，提高系统的整体内聚性，降低各功能模块之间的耦合度。

3 系统详细设计

结合智能空调性能测试工况，实现实验室环境数据采集的集中控制和系统各模块的高度集成[9]。实验室环境中的数据采集由传感器网络模块完成，系统的集中控制由实验室中控模块完成，实验室各终端的控制由控制终端模块完成，系统数据的存储则由存储应用模块完成。

3.1 传感器网络模块

传感器网络模块负责实时采集实验室的环境数据和实验设备状态数据，并将采集到的数据通过网络协议传输至系统中控模块的微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）进行处理。传感器网络模块如图2所示。

图2 传感器网络模块

传感器作为感知元件，需要通过单片机进行控制才能监测环境数据信息[10]。采用S3C2440单片机作为控制单元，通过ZigBee技术进行无线通信模块开发，各种传感器用于采集实验室环境数据。信号经过放大电路放大后发送到S3C2440单片机，单片机进行数据运算得出相应结果后经由ZigBee模块传输给服务器，供前端使用。

3.2 实验室中控模块

实验室中控模块是系统数据处理与分发的关键，为了方便未来的系统扩展，需要预留一定数量的接口。实验室中控模块如图3所示。

图3 实验室中控模块

无线监控模块采用ZigBee协议标准，向中控模块的单片机发送环境感知信息[11]。中控模块的主要任务是与服务器、传感器进行数据通信，为确保功能实现，采用价格便宜、功耗低、性能强劲的S3C2440微处理器，ARM内核为16 KB缓存，该处理器采用32位RIS指令集，可实现多种设备的控制。在低功耗使用场景中应用效果良好。和RAM、ROM共同构建数据处理单元。中控模块的基本电路主要有包含2 MB的非易失闪存芯片以及256 MB的与非型闪存芯片的板载ROM，12 MHz晶振电路以及其他电路。

3.3 终端控制模块

终端控制模块由单片机电路、电源电路、串口电路以及ZigBee底座接口电路等构成，以PIC18F45K20型单片机作为核心控制器。该单片机采用精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）架构，成本低且可靠性更高。PIC18F45K20内置振荡电路，为了确保频率精准，外接晶振电路，同时选用16 MHz并联谐振晶体，配合内置振荡电路实现负反馈移向，减小谐振阻抗，提高晶振电路的运行效率。为了便于调试，电路带有在线串行编程接口，连接在线调试器后可实现程序下载和调试。外接输入/输出（Input/Output，I/O）口用于控制外围电源、门禁等模块，方便后期扩展。

3.4 存储应用模块

存储应用模块可以存储实验室中控模块发送的数据，以供实验室研究人员使用。系统使用SQL Server进行数据管理工作，包括数据存储、数据读取、数据更新以及数据备份等。实际设计数据库时，需要为每个监控数据设置一个阈值。如果超过阈值，系统会提醒相关人员及时处理。同时需要为用户设置敏感信息，为每个用户设置不同的操作权限。存储应用模块以用户、系统高效交互为基础，根据实际情况选择性展示系统获得的环境监测数据和实验数据。

4 结 论

该系统结构简单、可靠性高，且具有一定的智能化控制和自适应能力。相较于传统的实验室管理系统，尤其是在非线性、干扰大的智能空调性能测试实验室管理中，基于物联网系统架构设计的实验室管理系统具有较强的抗干扰能力，同时静态误差小，值得推广应用。