基于物联网控制的实验室管理系统研究

王辰,张宾

（无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153）

0 引言

随着我国职业教育改革重心由“教育”转向“产教”，产业与教学的结合也越来越密切[1]，实验室作为提高产教融合水平的重要场所，学校的投入也逐年增加，实验室管理的重要性不言而喻。然而各地高校在实验室使用和管理过程中存在着诸多问题，严重影响实验室教学工作的进行[2]。如何规范化、便捷化、高效管理实验室成为高校需要解决的问题。因此，通过信息化管理手段，借助物联网技术，智能、高效的进行实验室管理，不仅能够克服传统管理方法的弊端，还能够为教师、学生提供一个更加便捷化的实验平台，有利于提高教师的教学效率和学生的学习质量，为学校的教学科研打下良好的基础。

1 高校实验室管理的不足及信息化实验室的重要性

实验室作为高校教学的重要一环，是学校进行人才培养、科学实验、对外交流的重要场所。高校对学生实际操作能力的要求不断提升，对实验室的投入力度不断加大，实验室设备仪器的数量和种类不断增多，学生参与度较逐渐升高，实验室的教学任务越来越繁重，对实验室的安全保障要求也不断提高，随之带来的问题就是实验室的管理难度越来越高，同时也暴露出实验室管理的一些问题。

1.1 管理不规范

高校实验室管理人员不足且专职管理员比重不高的情况较为普遍，从长远角度出发，这会影响实验室的管理的规范性，不利于促进实验室的一体化建设。其次，实验室设备管理不规范，购入的设备多以纸质记录的方式完成入库，设备明细查找困难，导致设备重复采购，造成设备堆积。借还设备流程不规范，借用者仅在管理员的口头允许下借用设备，设备去向不明确导致设备丢失[3]。

1.2 管理不便捷

目前，大多数实验室管理还处在人工管理阶段，实验室的开放和关闭完全依靠管理员手动操作，管理效率低下。信息化管理水平低，实验耗材的统计不便利，学生课余时间实验室使用申请困难，导致实验室使用率低。除此之外，实验室安全管理不规范，仅靠管理员巡查管理，缺少环境安全监测设施，不能及时发现实验室异常情况，一旦发生火灾等情况，会造成巨大损失。

1.3 实验室信息化管理的必要性

借助物联网技术，能够有效提高实验室信息化管理水平，促进一体化建设进程，不但可以提高实验室管理人员的工作效率，还可以全方位、全过程监控实验的使用情况。通过传感器网络实时监测实验室环境数据，监测到异常情况及时上报处理，很大程度上降低安全事故发生的概率，极大地提高了实验室的安全性。通过物联网技术实现实验室的管理，为师生提供更加舒适便捷的实验条件，为提升学生的实践操作能力，培养学生的创新意识，提供一个优质平台。

2 实验室管理系统的功能设计

利用物联网技术将实验室的无线传感器网络及控制设备与云平台连接，通过云平台进行数据的传输并实时监测实验室环境数据，异常情况及时触发策略并上报至手机App，手机App 实时显示实验室环境数据，同时可以下发控制指令远程控制实验室。此外还可通过现场操作的方式管理实验室，实现线上线下并行管理模式，提高实验室管理效率，实现规范化、信息化管理。对此，管理系统功能设计如下。

实验室供电机制是针对实验室设备数量大，设备功耗高等特点，为避免实验室产生不必要的电能浪费所设计的供电模式，采取两种供电方式，一是通过刷卡方式供电，教师进入教室后可进行刷卡取电，一次供电时间为两个课时，在下课10分钟后系统自动切断实验室供电。二是实验室远程供电模式，该模式下由管理员控制实验室的供电时长，在实验室使用完毕后能够及时切断电源，避免了电能浪费，及时断电也可确保实验室电路不会因为长时间工作导致负载过大而发生火灾。

实验室开放功能，第一种为现场开放，考虑到响应速度、体积、功耗等方面，选择射频识别开放方式，教师可通过校园卡刷卡进入实验室，规范了实验室的使用，避免学生未经申请违规进入实验室造成设备损坏的情况发生。第二种是通过管理员远程开放，管理员可以通过手机App下发控制指令授权开放实验室。

实验室使用申请功能，目前大多数实验室在教学时间以外处于关闭状态，学生没有条件继续实操，缺少动手实践的机会和平台。因此本系统设计了学生课后申请使用功能，学生能够根据学习的需求和自身的学习情况，通过实验室管理平台实名向实验室管理员提出实验室使用需求，以“谁申请谁负责”的机制使用实验室，管理员通过审核后，设定实验室开放时间段。

实验室安全监测功能，为排除实验室发生安全事故的隐患，保证师生在安全环境下进行科研教学活动，系统对实验室环境进行监测，包括实验室的温湿度、有害气体成分、火灾、水淹等，并设置了异常报警功能，当监测到异常情况时及时触发报警装置并将警报信息上传至云平台，若监测到火灾发生则及时触发灭火装置，实现全方位监测实验室的安全情况。

整套系统留有设计冗余，提供可扩展外设的设备接口，后期可完善加装执行、监测及其他辅助性设备等。

3 物联网控制的实验室管理系统设计

3.1 实验室管理系统结构设计

实验室管理系统根据物联网的三层结构进行设计[4]。感知层，主要完成实验室环境的监测，包括温湿度传感器，实时监测实验室的温度和湿度，火焰传感器监测实验室是否发生火灾，水浸传感器监测实验室的水浸情况；网络层，主要将采集的传感器数据的传输到物联网云平台，实现数据的上云传输，作为实验室远程监测和管理的数据中转站；应用层，编写手机APP 管理程序和控制界面，对采集到的数据进行分析，判断实验室环境是否异常并下发控制指令，处理实验室的申请请求，远程监测管理实验室，对各类信息进行处理，实现实验室设备和人之间的交互。实验室的结构框图如图1所示。

图1 基于物联网技术的实验室管理系统框图

3.2 实验室管理系统功能实现

监测执行模块使用CC2530单片机作为数据采集和控制指令下发的核心，此款单片机专门针对IEEE802.15.4 和Zigbee 应用的单芯片解决方案，能够以低功耗状态长时间运行[5]。在进行数据监测时，温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、水浸传感器分别搭载到ZigBee 终端节点。执行端包括报警器、灭火装置，分别搭载到ZigBee 终端节点，Zig-Bee 通过协议栈的方式构建一个无线传感器网络，将传感器采集的数据传输到协调器并将控制指令下发到控制终端，当系统监测到火灾发生则会自动启动灭火装置和报警器，并把火灾信息上报至管理员处。以传感器和执行器为基础，实现实验室的智能监测管理[6]。ZigBee数据传输拓扑结构如图2所示，ZigBee使用ZStack协议栈进行数据传输，ZigBee 节点执行机构的指令由STM32接收之后通过串口下发，执行机构接收到指令后启动报警或灭火装置。

图2 ZigBee数据传输拓扑结构

主控模块使用STM32F407ZGT6 作为主控芯片，其工作频率为168MHz，采用3.6V 供电。主控模块通过串口与ZigBee 协调器相连[7]，主控模块通过串口实现指令的发送和无线传感器网络环境数据的获取。同时，主控模块搭载RFID 设备实现门控功能[8]，可通过刷卡开启实验室，也可通过手机App下发指令远程控制开启。另外主控模块搭载继电器，可智能控制实验室的供电系统，进入实验室启动供电，下课后及时断电，防止电能浪费，实现智能供电功能。实验室环境数据的上传至云平台以及控制指令的下发是通过主控模块搭载的EPS8266 实现的，主控模块通过AT指令控制ESP8266连接无线网络，实现与云服务器的通信从而实现实验室的远程控制。

ESP8266一款功能强大的WIFI模块，可以实现网络通信的功能，广泛应用于物联网领域，本系统中使用ESP8266 实现实验室数据上传至云服务器。以MQTT 作为数据通信协议，MQTT 协议是一种基于发布/订阅模式的通讯协议，可以实现数据的一对多分发，该协议构建于TCP/IP 协议上[9]。在MQTT 协议中有发布者、代理（服务器）、订阅者三种身份，客户端是消息的发布者和订阅，服务器是消息代理，订阅者也可以是消息的发布者。在本系统中，下位机作为订阅者和发布者，云服务器作为代理，手机端作为订阅者和发布者，结构如图3所示。

数据上传至云服务器后，可通过云平台进行数据监测，当监测到异常数据，可通过设置管理策略实现自动触发，例如当火焰传感器监测到数据异常时，触发异常策略，下发灭火指令，启动灭火装置、触发报警器并向管理员发送报警信息[10]。关于数据的存储，上传至云服务器的数据可以通过给定的接口存储至数据库中，编写程序调用数据库将实验室数据实时显示在手机App 端，手机App 分为管理员端和用户端，管理员可进行实验室的远程管理控制，用户端可提交课后实验室的使用申请，由管理员授权使用，从而实现实验室的智能管理。

4 物联网控制的实验室管理系统测试分析

利用物联网技术控制的实验室管理系统不仅可以提高实验室的信息化管理水平，也为师生的科研工作提供了一个平台，为学生的竞赛训练提供了一个便捷的场所。在完成开发设计后对系统进行测试分析。对无线传感器网络的测试，能够实现所有终端的通信；对于数据上报及策略触发的测试，在温湿度测试中，改变传感器附近的温度和湿度，在云服务器和手机App上温度和湿度数值发生相应变化；对气体和火焰传感器的测试，人为改变两个传感器附近的环境在云服务器和手机App 端气体监测端和火焰监测端均有数值发生变化，同时，当气体和火焰达到设定阈值时触发云平台的策略，启动实验室报警器并触发灭火装置，管理员端收到报警信息。指令控制测试，管理员手机App端点击实验室开启或关闭按键，经过几秒钟的延时后实验室门触发相应动作并且实验室自动供电。RFID 门禁测试，测试人员使用测试卡靠近RFID传感器，实验室门自动解锁，在管理员端显示相应实验室门已开启。因此判定基于物联网技术的实验室管理系统的测试成功。但也存在一些问题需要进一步研究解决，ESP8266 在访问云平台时，会出现隔一段时间自动断网的情况，目前还没有找到原因。

5 结束语

本文基于物联网技术设计了一套实验室智能管理系统，在系统中搭建了ZigBee传感器网络实现实验室数据的采集和执行器的控制，主控系统搭载了无线Wi-Fi 模块实现与云服务器的通信，控制端采用手机App的形式，在App中实时监测实验室环境数据，可以远程管理控制实验室，实现实验室的智能管理。本系统的应用适用范围较广，经过调整修改可以广泛应用于其他需要智能管理的场景。