基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 孫文博 趙曉軍 田糧川

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生、教師、科研人員等進(jìn)行學(xué)習(xí)與科研實(shí)驗(yàn)的重要場(chǎng)所。當(dāng)前高校的實(shí)驗(yàn)室大多存在儀器昂貴但使用率不高，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備監(jiān)管落后等問題[1-2]。因此實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的建立可以有助于學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)，系統(tǒng)的管理以及方便師生進(jìn)行科研時(shí)儀器設(shè)備的使用。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備運(yùn)行情況，設(shè)備操作者以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境等實(shí)驗(yàn)管理問題設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

由于設(shè)備的使用情況存在不確定性，因此設(shè)備監(jiān)控是一個(gè)長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)控過程。為達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，傳輸、顯示可將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)劃分為三部分即實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集控制終端、數(shù)據(jù)處理終端和云平臺(tái)。圖1為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集控制終端主要包括：終端控制板，WiFi通信，數(shù)據(jù)采集，控制模塊等。數(shù)據(jù)處理終端利用WiFi模塊構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理與打包并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。云平臺(tái)主要包括云服務(wù)器，PC端與手機(jī)端。設(shè)備管理人員可通過PC端或手機(jī)端可隨時(shí)查看上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，從而知道設(shè)備的使用情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

2 數(shù)據(jù)采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端

2.1 終端控制板

數(shù)據(jù)采集控制終端的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該終端利用ATMEGA128單片機(jī)為主控芯片，對(duì)終端上的各個(gè)部分進(jìn)行連接與控制。在終端上配置了存儲(chǔ)芯片（EEPROM）對(duì)系統(tǒng)初始化的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，如路由器信息，云服務(wù)器地址，設(shè)備ID等。在終端加入了語(yǔ)音模塊進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)播報(bào)以及報(bào)警等。此外還配置了無(wú)線模塊接口，繼電器模塊，電源模塊接口，溫度采集模塊等與終端上的其他模塊相連。

圖2 終端控制板整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電流采集模塊

設(shè)備的啟動(dòng)、工作、待機(jī)等不同狀態(tài)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的電流值，設(shè)備停止時(shí)不會(huì)有電流流過電源。因此可使用電流互感器可作為工作情況的檢測(cè)裝置。本設(shè)計(jì)采用HCT502-A穿心式電流互感器對(duì)儀器設(shè)備的工作電流進(jìn)行檢測(cè)。電路原理圖如圖3所示。當(dāng)電源線有電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)且磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的大小成正比。電流互感器接有運(yùn)放、電容、電阻等電子元件將電流進(jìn)行放大與測(cè)量。由于電流不易測(cè)量因此本次設(shè)計(jì)根據(jù)歐姆定律將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行測(cè)量[3-4]。

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊是采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端以及數(shù)據(jù)處理終端與云平臺(tái)之間通信的橋梁。WiFi模塊通訊為無(wú)線通訊方式。采用無(wú)線通訊可使系統(tǒng)安裝更加方便，避免了有線通訊布線時(shí)的困擾。本次設(shè)計(jì)采用的模塊是HLK-RM04無(wú)線模塊。它是一款價(jià)格低廉的嵌入式無(wú)線通訊模塊，并且內(nèi)置了 TCP/IP 協(xié)議棧。1個(gè)數(shù)據(jù)處理終端與多個(gè)采集控制終端采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理與傳輸，可變向增加系統(tǒng)的負(fù)載能力也有利于故障的檢測(cè)與隔離。用WiFi模塊進(jìn)行通信采用的是URAT協(xié)議主要包括以下幾個(gè)部分：幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采集控制終端編號(hào)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。

2.4 RFID信息采集模塊

圖3 電流互感器工作原理圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了RFID信息采集部分進(jìn)行操作人員的信息采集，以便于更好的對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器的使用情況進(jìn)行記錄。通過RFID技術(shù)可以有效的判斷是否有操作人員，無(wú)操作者時(shí)設(shè)備電源關(guān)閉，設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)。當(dāng)操作者將射頻卡放到讀寫器，讀取數(shù)據(jù)信息后系統(tǒng)根據(jù)使用者的權(quán)限情況進(jìn)行判斷是否可以操作該設(shè)備，降低事故發(fā)生概率。利用RFID對(duì)芯片信息讀取時(shí)采用沖突檢測(cè)，選卡，密碼，數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)來(lái)提高讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制終端流程圖

2.5 數(shù)據(jù)采集控制終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制終端流程圖如圖4所示，初始化后測(cè)試數(shù)據(jù)采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端是否可以正常通訊。數(shù)據(jù)采集控制終端收到啟動(dòng)命令后啟動(dòng)程序?qū)υO(shè)備操作者的標(biāo)簽芯片進(jìn)行檢測(cè)，有權(quán)使用設(shè)備后繼電器線圈導(dǎo)通觸點(diǎn)閉合對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。測(cè)量溫度是否在閾值區(qū)間以內(nèi)，偏離時(shí)斷開繼電器并進(jìn)行報(bào)警。溫度正常時(shí)利用AD采集檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。該終端將數(shù)據(jù)顯示的同時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理終端。程序在返回到RFID檢測(cè)，重復(fù)以上過程實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備使用狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 云平臺(tái)

研究人員利用云平臺(tái)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)可以更方便快捷，同時(shí)用戶可以通過電腦、手機(jī)等客戶端通過云平臺(tái)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)終端以及控制終端進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制。

本文設(shè)計(jì)的云平臺(tái)為樂為物聯(lián)平臺(tái)。該平臺(tái)可以快速組建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、查詢等也可以下發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。在云平臺(tái)建立賬戶，并添加設(shè)備，傳感器、控制器等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。樂為物聯(lián)與數(shù)據(jù)處理終端之間利用互聯(lián)網(wǎng)采用TCP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。

4 測(cè)試及結(jié)果

為了測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，測(cè)試了設(shè)備在正常溫度環(huán)境下的工作情況如圖5所示。OLED顯示屏上顯示了RFID檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)員信息，采樣電壓，設(shè)備狀態(tài)以及環(huán)境溫度。利用WiFi把數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

此外還對(duì)溫度傳感器周圍進(jìn)行加熱對(duì)環(huán)境溫度過高進(jìn)行了語(yǔ)音報(bào)警測(cè)試。數(shù)據(jù)處理終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理后發(fā)送到云平臺(tái)，并通過手機(jī)端對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)如圖6所示。利用PC端實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備供電的遠(yuǎn)距離控制，PC端界面如圖7所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集控制終端工作實(shí)物圖

圖6 手機(jī)端數(shù)據(jù)查詢圖

圖7 PC端遠(yuǎn)程控制界面

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過RFID、WIFI通信、AD采集，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的組合完成了數(shù)據(jù)處理終端與采集控制終端以及云平臺(tái)的設(shè)計(jì)。三者之間采用無(wú)線通訊避免了有線通訊的繁瑣有利于各個(gè)終端的安裝與移動(dòng)。同時(shí)利用手機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)除了適用于實(shí)驗(yàn)室可應(yīng)用于車間、商場(chǎng)等用電設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。隨著社會(huì)的發(fā)展以及實(shí)驗(yàn)室管理制度的完善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[1]韓世巖,李淑君,劉志明,韋雙穎.實(shí)驗(yàn)室管理在教學(xué)科研中的實(shí)踐作用[J].廣東化工,2016,43(19)：197-198.

[2]韓方珍,俞守華,方永美,徐東風(fēng),肖媚燕.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(12)：238-240+259[2017-09-04].

[3]申軍濤.基于RFID/ZigBee實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].河北大學(xué),2014.

[4]馬瑾.電流互感器監(jiān)測(cè)終端研究[D].華北電力大學(xué),2016.

[5]夏蕓蕓.基于樂聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué),2016.