Android@Laboratory智能實驗室的研究與設(shè)計

張波　周廣林　李金澤　李發(fā)英

摘要：本文從實際應(yīng)用需求出發(fā)，闡述了當(dāng)前高校實驗室在人工管理模式下存在的弊端以及智能實驗室研究的必要性，分析了當(dāng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居、智能建筑等方面的發(fā)展，結(jié)合時下最深入人心的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和基于android系統(tǒng)的移動端APP設(shè)計，從節(jié)約資源、高效管理的角度對智能實驗室進(jìn)行研究和設(shè)計，為今后高校實驗室在管理模式上的改善提供可靠的技術(shù)手段和實施模型。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Android系統(tǒng)；移動端APP

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）27-0234-03

Research and Design of Android@Laboratory Intelligent Laboratory

ZHANG Bo， ZHOU Guang-lin， LI Jin-ze， LI Fa-ying

（School of Software and Communication Engineering， Xiangnan University， Chenzhou 423000， China）

Abstract： In this paper， starting from the actual application requirements， this paper expounds the current laboratory of colleges and universities in the existing disadvantages of manual management mode and the necessity of intelligent laboratory research， analysis of the current wireless sensor network technology in the development of smart home， intelligent buildings， combining the most pervasive Internet technology and mobile APP design Based on the android system， from the Angle of resource saving， efficient management， to research and design of intelligent laboratory， laboratory in colleges and universities in the management mode of improvement for the future to provide reliable technical means and implementation model.

Key words： wireless sensor network technology； Internet technology； Android system； mobile APP

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用傳感器、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，實現(xiàn)物與物、人與物、人與人之間的通信，進(jìn)而達(dá)到方便識別、管理和控制的目的；同時物聯(lián)網(wǎng)將以用戶體驗為核心的創(chuàng)新作為其發(fā)展的內(nèi)在靈魂，而基于Android系統(tǒng)的移動端APP以其簡約的視覺界面、貼心的用戶功能、便捷的操作方式更是創(chuàng)造了良好的用戶體驗，博取了大量用戶和設(shè)計人士的芳心，成為現(xiàn)代社會最受青睞的熱門技術(shù)之一。毋庸置疑，當(dāng)我們將這兩項技術(shù)應(yīng)用于智能實驗室時，將更加方便我們對事物的管理和控制。

2 智能實驗室研究設(shè)計的必要性

科研是高等教育三大功能之一，實驗室的工作水平是一個高?？蒲兴降幕緲?biāo)志。隨著教學(xué)方式和科研水平的不斷發(fā)展，實驗教學(xué)的重要性也在逐步加強。目前高校實驗室的管理模式仍是以傳統(tǒng)的人工管理為主，依靠任課老師和管理人員的長時間監(jiān)管和不定時的巡查保證實驗室日常的運行，這種傳統(tǒng)方式，不僅管理效率低，而且在一定程度上浪費了人力、物力、財力。隨著高等教育的不斷普及，學(xué)生增多、實驗室和實驗設(shè)備的增多，這種弊端將日漸顯現(xiàn)，拖累高校教育人才的初衷。因此，利用科技、網(wǎng)絡(luò)手段管理實驗室，不僅能提高實驗室的管理效率和水平，而且使高校的教師學(xué)生們能夠緊跟時代浪潮，感受科技帶來的便利，提高學(xué)習(xí)的積極性。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，是用大量的傳感器通過自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，由于獨特的組網(wǎng)方式，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置十分靈活，可以和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線和無線方式的連接，甚至設(shè)備位置受到更改也絲毫不影響信息的傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器、感知對象和觀察者三大要素組成。由于傳感器種類眾多且價格廉價，可探測包括溫度、濕度、移動物體等多種物理量，因此其應(yīng)用十分廣泛，包括軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域；通過在需要監(jiān)測的區(qū)域部署傳感器節(jié)點，以無線通信方式形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使節(jié)點與節(jié)點之間協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息并發(fā)送給觀察者從而實現(xiàn)對事物有效的監(jiān)測。

特點：大規(guī)模、自組織、動態(tài)性、可靠性、集成化。

3.2 Arduino微控制器

Arduino是一款開放源代碼的單芯片微控制器，能夠接收各式各樣傳感器傳送回來的信息并通過指定串口顯示器將信息顯示出來。使用ArduinoIDE對Arduino進(jìn)行編程并燒錄進(jìn)開發(fā)板，就能使之通過代碼判斷信息類型，控制馬達(dá)、步進(jìn)電機等其他元件對某個傳感器的周遭環(huán)境信息進(jìn)行處理并反饋。Arduino是一款便捷靈活且開源的電子實驗平臺，具有簡單上手、清晰明了等特點，ArduinoIDE采用類似C、Java這類熱門語言作為開發(fā)語言，降低了大多數(shù)人進(jìn)入智能硬件設(shè)計的門檻。除此之外，Arduino實現(xiàn)了跨平臺的信息傳輸，可以通過藍(lán)牙、Wifi等和PC上運行的軟件進(jìn)行實時通信，滿足了不同人群、不同應(yīng)用環(huán)境對智能硬件的應(yīng)用和信息控制。

特點：跨平臺、簡單清晰、開放性、發(fā)展迅速。

3.3 Android系統(tǒng)

Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核設(shè)計的完全開源的操作系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備。作為操作系統(tǒng)，Android系統(tǒng)采用并設(shè)計了應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層和Linux內(nèi)核層共四層的分層結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖如圖1）。而作為移動端，由于其源代碼的對外開放，使得Android系統(tǒng)的適應(yīng)性和可擴展性得到了充分的發(fā)展；它可以不受任何運營商的制約且硬件選擇性多樣，因而贏得了大量的用戶的青睞、吸引了許多開發(fā)者和企業(yè)的加入，除此之外，各式各樣SDK工具的出現(xiàn)并實現(xiàn)同Android系統(tǒng)的無縫結(jié)合，使得移動端設(shè)備的功能更加多樣化。Android操作系統(tǒng)已然成為全球最大的智能手機操作系統(tǒng)。

4 智能實驗室設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計以Arduino作為微控制器，除微控制模塊之外還包括溫濕度監(jiān)測模塊、氣體消防模塊、門禁模塊、燈光節(jié)能模塊、LCD1602顯示模塊五大部分。各個部分由Arduino微控制模塊進(jìn)行控制，通過無線通信接收和傳遞消息。其中：

溫濕度模塊和氣體消防模塊配置舵機，實現(xiàn)對窗戶、窗簾、消防栓在一定程度上的自控制，并在LCD1602液晶板上實時顯示數(shù)據(jù)；

門禁模塊配置蜂鳴器和RFID識別，通過刷卡進(jìn)入，同時也實現(xiàn)了學(xué)生上課簽到的功能，當(dāng)有沒刷卡的人員進(jìn)入，蜂鳴器報警；

燈光節(jié)能模塊采用PWN法控制亮度；

同時所有數(shù)據(jù)通過Arduino IDE編寫的程序打包送到本地tcp/ip服務(wù)器，實時顯示在客戶端APP上。硬件結(jié)構(gòu)如下圖：

4.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是對APP客戶端的設(shè)計。主要包括數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、服務(wù)器的搭建、用戶界面設(shè)計三個部分。

APP設(shè)計采用AndroidStudio作為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)用戶登錄界面、用戶信息界面、傳感器信息實時統(tǒng)計圖界面、學(xué)生信息界面；

數(shù)據(jù)庫使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其中存放傳感器所收集的各類信息、學(xué)生信息、管理員和教師信息，用于對實驗室信息及時處理和展示以及提供門禁支持；

服務(wù)器的搭建方便信息的傳輸和APP遠(yuǎn)程控制。

軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如下：

4.3 APP使用說明

4.3.1 用戶登錄界面

新用戶即學(xué)校新教師或新的管理員首次登錄時，需使用教師工號進(jìn)行新用戶注冊，教師工號由數(shù)據(jù)庫管理員在新教師入校前提前錄入進(jìn)學(xué)校教職工數(shù)據(jù)庫（實際使用中此數(shù)據(jù)庫為學(xué)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，無需另建）作為主碼；一體如常，同樣提供了賬號申訴功能。界面如圖4所示：

4.3.2 角色功能界面

所謂角色其實是指教師和管理員。管理員具有比教師更高的權(quán)限控制，以便對數(shù)據(jù)庫的運行進(jìn)行日常的維護(hù)和更新，并對實驗室的傳感器進(jìn)行定期的測試與維護(hù)；相對于管理員，教師的職責(zé)更體現(xiàn)在授課解惑，因此在APP里除了體現(xiàn)智能實驗室的內(nèi)容外，還從門禁功能中延伸出了學(xué)生簽到，學(xué)生通過RFID射頻識別卡刷卡簽到，教師從APP里查看學(xué)生到課率。以學(xué)生簽到功能為例其界面如圖5：

4.3.3 傳感器信息界面

傳感器信息的加工和統(tǒng)計是智能實驗室的核心；通過Arduino模塊處理后的信息送入到服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，然后通過APP訪問數(shù)據(jù)庫將信息取出，以折線圖的方式顯示在客戶端。其中信息的取出分為休眠時刻和工作時刻；休眠時刻即APP程序在后臺運行時，本地數(shù)據(jù)庫周期性向服務(wù)器索取數(shù)據(jù)更新自身；工作時刻即APP運行時，數(shù)據(jù)庫即時獲取數(shù)據(jù)即時加載顯示。除此之外，智能的核心更體現(xiàn)在控制上，通過關(guān)鍵詞輸入并發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將關(guān)鍵詞與Arduino操作匹配成功后指示相應(yīng)部件產(chǎn)生響應(yīng)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的功能。溫度傳感器功能界面如圖6，通過下拉菜單可選擇不同的傳感器，不同器件設(shè)計有相適應(yīng)的界面，以實現(xiàn)界面簡易化、友好化。

5 總結(jié)

高校實驗室的智能化所帶來的不僅僅是管理模式上的改進(jìn)，更為重要的是，運用科技、改變生活的實踐活動與學(xué)生更加貼近，學(xué)生能更加真切地感受到科技所帶來的變化，激發(fā)起學(xué)習(xí)的興趣，提高教育質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃麗軍.基于ZigBee技術(shù)的簡單無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J].福建省廣播電視大學(xué)，2013，2.

[2] 王慧淵.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實驗室的研究與實現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2014，1-5.

[3] 基于ARDUINO的智能家居設(shè)計實現(xiàn)[D].西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計.豆丁建筑網(wǎng)，2017：6-8.

[4] 劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].科學(xué)出版社出版，2013：6-11.

[通聯(lián)編輯：梁書]