基于物聯(lián)網(wǎng)控制的學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園設(shè)計(jì)與研究

吳旭+潘華

摘要：本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制下學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)行探討，分析學(xué)校實(shí)驗(yàn)園建設(shè)出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園的設(shè)計(jì)思路，提出解決方案，為學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；科學(xué)實(shí)驗(yàn)園；設(shè)計(jì)；研究

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0140-03

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 整體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)控制的學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)際上是由不同的層次所構(gòu)成，如應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層和感知層，其中的每個(gè)層次又能分成若干個(gè)子層次，保證整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠貫穿硬件系統(tǒng)和面向用戶的圖形界面，具有很大的跨度，繼而提升了對(duì)設(shè)計(jì)人員工作的需求。而物聯(lián)網(wǎng)控制下學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園設(shè)計(jì)的難點(diǎn)則是系統(tǒng)的集成工作，同時(shí)還需要做好軟硬件的協(xié)同工作以及跨平臺(tái)之后的兼容性。

對(duì)于系統(tǒng)功能模塊和軟件架構(gòu)層次角度來(lái)說(shuō)，學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園系統(tǒng)的功能模塊主要有以下幾點(diǎn)（見圖1）。

（1）系統(tǒng)登陸。登陸系統(tǒng)的方式可允許管理員使用指紋掃描、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證以及RFID等等，進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的查詢和修改。（2）網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)。基于B/S架構(gòu)，對(duì)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀看，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制和管理的充分落實(shí)。（3）中央控制平臺(tái)。保證在主操作界面上，能夠?qū)嵤?duì)多個(gè)模塊如安全、設(shè)備以及人員等的管理。（4）數(shù)據(jù)平臺(tái)。主要是針對(duì)中央控制平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)查詢、持久化的服務(wù)。（5）掃描倉(cāng)儲(chǔ)。采用多種方式如二位編碼、掃碼器，與數(shù)據(jù)平臺(tái)和局域網(wǎng)相互配合，實(shí)現(xiàn)條碼生成-掃碼-出庫(kù)等一系列操作。（6）人員管理。采用物聯(lián)認(rèn)證相關(guān)設(shè)備，對(duì)人員進(jìn)行管理，如打卡的方式來(lái)觀測(cè)人員的進(jìn)出，并將所有記錄保存在數(shù)據(jù)庫(kù)。（7）安全防護(hù)。其中的模塊主要有身份認(rèn)證，環(huán)境、視頻等監(jiān)控以及報(bào)警，采用攝像頭、Zigbee、光感、紅外和報(bào)警器等設(shè)備，全面落實(shí)。（8）燈光電力。充分落實(shí)智能用電。（9）智能展柜。將實(shí)驗(yàn)園的成果放于智能展柜中，若沒有授權(quán)則無(wú)法將展柜打開，所有展柜打開等過(guò)程都被展柜系統(tǒng)記錄，與展品移動(dòng)有關(guān)的信息都存入數(shù)據(jù)平臺(tái)中。（10）擴(kuò)展。主要是對(duì)硬件接口擴(kuò)展板和軟件編程切面的預(yù)留工作，在未來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園軟件層次架構(gòu)如圖2，主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

（1）傳感控制網(wǎng)絡(luò)。其構(gòu)成有控制器和傳感器，實(shí)施對(duì)物理參數(shù)的監(jiān)控，如濕度、溫度、聲音等等，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，抽象化物聯(lián)網(wǎng)的感知層和硬件。（2）ARM+Linux+Android中控平臺(tái)。充分采用Anrroid平臺(tái)，Linux操作系統(tǒng)，Arm架構(gòu)處理芯片，匯總整個(gè)傳感器控制網(wǎng)絡(luò)信息，并實(shí)現(xiàn)可視化操作，繼而實(shí)現(xiàn)與Windows平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，開發(fā)移動(dòng)端應(yīng)用。（3）Windows平臺(tái)。在Windows操作系統(tǒng)的管理、控制程序、監(jiān)視下，實(shí)施與DB、Web、Arm平臺(tái)的交互，開發(fā)桌面級(jí)的應(yīng)用。（4）Wsb信息控制。即成立可在多種平臺(tái)軟件適應(yīng)的、基于html5的網(wǎng)站，完成系統(tǒng)參數(shù)的展示，并便于接受網(wǎng)絡(luò)的控制。（5）DB（數(shù)據(jù)庫(kù)）。用于對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、日志、關(guān)鍵數(shù)據(jù)以及管理員等的身份信息的保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)園單個(gè)構(gòu)架

1.2.1 實(shí)驗(yàn)園安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)

作為整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，其中的部分主要有控制單元、中央處理單元、預(yù)警報(bào)警單元、輸入和輸出單元，見圖3。其中輸入接口單元可對(duì)傳感器的輸入信號(hào)接收，實(shí)現(xiàn)開關(guān)輸入接口和中央處理單元的聯(lián)接；實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)向數(shù)字量信息的傳喚，有效被中央處理單元接收。中央處理單元?jiǎng)t是對(duì)接收輸入接口單元的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的邏輯運(yùn)行和判斷；若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)警報(bào)值之后，將能夠?qū)⒕瘓?bào)的信息傳輸給警報(bào)單元；實(shí)現(xiàn)在排風(fēng)系統(tǒng)和切斷試驗(yàn)臺(tái)中對(duì)警報(bào)信息控制單元的利用。預(yù)警報(bào)警單元能夠?qū)⒅醒胩幚砥鱾鬏數(shù)男畔⒔邮?，并做出相關(guān)提示，讓實(shí)驗(yàn)人員遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)。反饋控制單元的輸入信號(hào)依據(jù)是中央處理單元進(jìn)行邏輯判斷的結(jié)果，若超出預(yù)設(shè)值之后，則會(huì)反饋到排風(fēng)系統(tǒng)和切斷供電電源。輸出接口單元將中央處理單元輸出的報(bào)警信息以及狀態(tài)接受，之后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)園動(dòng)植物配置

（1）實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)不僅僅需要各個(gè)子系統(tǒng)的完善，同時(shí)還需要合理配置一些動(dòng)植物。在學(xué)校實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)中若存在盲目引種或者動(dòng)植物配置方式不恰當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)植物生態(tài)適應(yīng)性降低，以及增加維護(hù)費(fèi)用，將其了動(dòng)植物配置在實(shí)驗(yàn)園中的生態(tài)服務(wù)作用。因此，選取的動(dòng)植物在數(shù)量上必須依照實(shí)驗(yàn)園的需求決定，且必須具備較高的美觀價(jià)值和生態(tài)效應(yīng)，為學(xué)校實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)增添色彩。（2）學(xué)校實(shí)驗(yàn)園動(dòng)植物在配置好之后，便可采用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括動(dòng)植物所處的溫度和濕度，在全方位的實(shí)時(shí)檢測(cè)下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)植物的有效保護(hù)和控制。其中植物的種植可使用盆栽或者假植的方式，增強(qiáng)苗木移栽的便捷性以及成活率。（3）學(xué)校實(shí)驗(yàn)園規(guī)劃需要結(jié)合學(xué)校自身辦學(xué)特點(diǎn)和周邊環(huán)境進(jìn)行總結(jié)，盡量引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，遵循科學(xué)的規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 實(shí)現(xiàn)效果

學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Qt編程，從整體上看軟件同有兩大部分，即監(jiān)控子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)，保護(hù)方式實(shí)施雙重密碼機(jī)制。在客戶端以及瀏覽器上輸入第一密碼身份認(rèn)證之后，則可進(jìn)入中控臺(tái)。其中的監(jiān)控機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)：

（1）無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控窗體的切換采用的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單；（2）全局監(jiān)控菜單能夠?qū)崿F(xiàn)全局視角，從圖6中看，左側(cè)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的平面布局動(dòng)圖，可使用鼠標(biāo)電擊來(lái)觀看每一個(gè)區(qū)域，之后則可進(jìn)入子區(qū)域的監(jiān)控子窗口，右上是傳感器節(jié)點(diǎn)信息子窗口，對(duì)全局動(dòng)圖中的傳感器圖標(biāo)點(diǎn)擊之后，則能夠獲取該區(qū)域的所有傳感器監(jiān)控信息，如果觸發(fā)了特定的報(bào)警傳感器，那么在整個(gè)傳感器子窗口中則會(huì)優(yōu)先顯示出來(lái)。右下是視頻監(jiān)控的子窗口，將被選中的攝像頭中的影像動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)；（3）藍(lán)牙設(shè)備的監(jiān)控信息可通過(guò)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單所得；（4）整個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的電力電子系統(tǒng)的監(jiān)控是采用電力系統(tǒng)菜單實(shí)現(xiàn)；（5）視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單形成視頻墻，可以觀察到所有攝像頭的視頻，便于實(shí)施統(tǒng)一管理；（6）傳感器的狀態(tài)、門禁以及報(bào)警的所有信息都由監(jiān)控日志菜單記錄，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)保存、分析以及采樣數(shù)據(jù)的功能。endprint

管理子系統(tǒng)的入口在監(jiān)控子系統(tǒng)的下側(cè)，在輸入第二密碼之后便能夠進(jìn)入其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容的審閱和修改。

3 學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園設(shè)計(jì)要求

學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的設(shè)計(jì)離不開對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的需求。一旦實(shí)驗(yàn)園中出現(xiàn)一些問(wèn)題，如有毒氣體的泄露、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的故障以及植物的凋亡等等問(wèn)題，都能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的條件下及時(shí)進(jìn)行處理。從上圖能夠看出，傳感器能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)和報(bào)警，為學(xué)生和教師創(chuàng)建一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)園環(huán)境，從而進(jìn)行有效的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，做出更大的成果。

4 學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園系統(tǒng)的創(chuàng)新

4.1 安全管理模式

傳統(tǒng)的學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園安全管理一般來(lái)說(shuō)是人工監(jiān)控或者創(chuàng)建相關(guān)安全管理制度。在這種模式下加大了實(shí)驗(yàn)園教學(xué)人員的工作量，導(dǎo)致工作難度加大，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法集中精力，導(dǎo)致出現(xiàn)一系列安全事故。在實(shí)施本系統(tǒng)的安全管理之后，全天24h都能夠?qū)?shí)驗(yàn)園的情況進(jìn)行全方位監(jiān)控，嚴(yán)格的報(bào)警和預(yù)警設(shè)施創(chuàng)建了更加安全的實(shí)驗(yàn)園環(huán)境。

4.2 實(shí)驗(yàn)園安全監(jiān)控技術(shù)

從當(dāng)前大多數(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)園安全監(jiān)控技術(shù)來(lái)看，確實(shí)是一項(xiàng)重大缺失，大多數(shù)學(xué)校在建設(shè)實(shí)驗(yàn)園時(shí)并沒有安全的監(jiān)控設(shè)施，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)園內(nèi)一些有毒氣體、溫度、濕度在不合理的情況下也無(wú)從得知，而此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)園的安全監(jiān)控的技術(shù)創(chuàng)新。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

學(xué)校實(shí)驗(yàn)園監(jiān)控的方式可通過(guò)客戶端電腦進(jìn)行，也能夠利用移動(dòng)智能收集，是數(shù)據(jù)的一種控制和交互，充分發(fā)揮了典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用。

4.4 動(dòng)植物配置

傳統(tǒng)的學(xué)校實(shí)驗(yàn)園更加注重的是科學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，迫切得到更大的成就，而本次學(xué)校實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)從環(huán)境和生態(tài)上為學(xué)生和教師提供了更高服務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控下保證了實(shí)驗(yàn)園整體環(huán)境和溫度的適宜。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)作為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的變革，更是當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的衍生。本系統(tǒng)充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并研究了學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園，在多個(gè)方位實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)園的合理開發(fā)以及監(jiān)控，在保證教學(xué)工作人員自身安全的條件下，提升學(xué)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)成果；同時(shí)在合理的動(dòng)植物配置下增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)園綜合性質(zhì)，為整體實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)提供有效驅(qū)動(dòng)力。本設(shè)計(jì)具備成本低、結(jié)構(gòu)新穎、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)穩(wěn)定、高效，能夠合理完善學(xué)校科學(xué)實(shí)驗(yàn)園的建設(shè)。

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Abstract：This article discusses the design and research of the school science experiment garden under the control of IOT technology， analyzes the problems that appear in the construction of the school experiment garden， and puts forward the design ideas of the school science experiment garden and puts forward the solutions to design the school science experiment garden Provide a valid basis.

Key Words：Internet of Things；Science Park；design；researchendprint