基于物联网的实验室管理系统关键技术研究

摘要：本文根据高校开放式实验室教学与管理需求而设计和实现的实验室管理系统，主要从管理平台、通信系统、电源管理、网络层等几项关键技术进行了研究，以Zigbee和Arduino为核心控制器，利用物联网与各种传感器、单片机构成节点，完成数据的采集、传输和处理。最终设计完成了一种基于物联网技术的解决方法，满足了高校实验室开放式教学的要求， 达到了设计的预期目标。

关键词：实验室管理;物联网技术;通信;电源管理

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0084-03

0 引言

近年来随着高校翻转课堂教学改革的发展和校园网上教学资源的逐步丰富。学生在课余时间进行网上学习的动力得到了加强，与此同时实验室的日常开放学习也迫在眉睫，成为翻转课堂教学改革建设中极为重要的部分。实验室安防是校园管理的重要组成，然而伴随着实验室的开放需求所引出来的安全管理问题也日益突出。改进校园实验室管理，采用物联网技术是一个有效的解决方案。

物联网的实质是利用射频自动识别技术，通过互联网实现物和物之间的自动识别及信息的共享，在这物与物相联的网络里，相互之间通信无需人的操作与干预。借助物联网技术作为支撑，实现了信息采集灵活和传输可靠性高以及易维护等优势，因此逐渐成为实验室安全管理系统的发展和研究方向。本研究提出了运用目前应用越来越广泛的物联网技术，从根本上实现开放实验室管理的智能化、自动化和实时化的管理系统平台，并对其中的实训室管理系统的几项关键技术进行了研究。

1 基于物联网技术的实验室管理平台设计

为了满足高职院校的实验室开放式教学的实际需求，本文研究设计了基于物联网技术的实验室管理平台。平台的初步解决方案，此管理平台主要包括硬件系统、架构和软件系统三大部分。系统架构如图1所示。

管理平臺借助于远端PC或移动终端设备，可通过学校校园网连接实验室管理系统的服务器，实时地了解实验室的运行状况，并进行相应的管理分配。而物联网的无线设备接入点则共同组成“无线传感网”，通过射频技术（RFID）、传感器实现智能化识别、定位和监控当前运行状态，并进行相应的控制。因此在本项目内容里重点完成了ZigBee通信系统模块和远程节点设计关键问题的研究。

2 基于ZigBee的通信系统设计

2.1 Zigbee的选用

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。Zig Bee由于其可靠性、低功耗、时延短、网络容量大、安全等特性在无线传感器网络中，已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业。主要适合用于自动控制和远程控制领域，如智能电网、智能交通、智能家居、供应链自动化、工业自动化等，可以嵌入各种设备。随着开源单片机系统开发平台Arduino的应用普及，基于ZigBee协议标准的XBee系列产品应用较为广泛的是Digi公司的XBee，XBee按照性能分为XBee和XBee pro两种，XBee pro相对于XBee具有更高的功耗和更远的传输距，这里因实际需求选用XBee pro。

2.2 XBee的设置

XBee是一个无线的通信模块，因此将XBee通过USB口与电脑相连，XBee模块与单片机的串口通信有transparent和API两种操作模。将XBee模块通过串口与PC相连，使用XCTU对模块进行测试、修改参数，首先搜索与PC连接的XBee模块，默认波特率为9600。成功添加XBee模块后选中XBee模块可以获取到该模块对应的配置参数并进行修改，设置软件的“Modem Configuration”选项修改“PANID”等参数再写入到XBee模块。因为对于属于同一个网络中的XBee模块来说这个参数一定要相同。

2.3 将XBee连接到Arduino

为了增强整个系统的功能，需要将XBee连接到单片机上，本项目选择开源单片机开发平台Arduino作为XBee模块的控制面板。XBee是通过串口通信（即TX，RX口）实现与单片机的通信，同时Arduino与电脑之间的通信也是通过串口。

两个Xbee分别插在Xbee适配器上，与电脑连接。用XCTU对两个Xbee进行点对点配置，参数设置如下：2个模块都设置ZS=2 SC=8，ID设置相同;A模块为协调器 AT，即CE=1;B模块为路由器 AT，即CE=0;A的DH设置为B的SH，A的DL设置为B的SL;B的DH设置为A的SH，B的DL设置为A的SL;JV为1。

配置好后，取下Xbee。将两个Arduino连接电脑，分别烧录程序。因为我们需要用到两个串口，而Arduino只有一个串口，因此需要设置软串口。这里使用数字引脚2、3模拟软串口，将2设置为RX，3设置为TX。完成后接电源可以在本地端的Arduino串口监视器里开始发送数据。要实现成块数据的传输比如将采集到的各种传感器数据发送和接收，则要根据模式重新设置。本项目使用Arduino可以根据实际需要采用大多数常见外围器件及其第三方函数库，这样就大大地减少编程工作量或降低编程的难度。

3 远程控制节点设计

3.1 门禁控制系统设计

门禁控制是实验室管理的重要组成部分，其主要由射频识别、单片机、ZigBee网关、上位机组成。因为学校的每位学生都有学生卡且教师都有自己的教工卡，故可以采用射频识别这种无线通信技术，利用无线电讯号识别特定目标并读取相关数据。每位使用人员的卡均有不同的信号数据，通过检测其中的不同频率信号进行识别，并将该数据通过物联网传送至服务器，然后管理系统进行信息比对，进而判断该请求是否有效，再将处理结果通过物联网反馈到Arduino单片机控制器进行最终的控制处理，流程图如图2所示。

3.2 电源控制模块设计

电源控制模块以Arduino单片机为控制器核心，通过ZigBee通信模块与服务器控制端进行通信，接收服务器端的电源控制和查询命令。另ZigBee无线通信模块与Arduino单片机通过串口通信，驱动继电器来实现对工作台交流电源开关的控制。工作台电源控制模块的总体结构如图3所示;220V交流变12V、3.3V双路直流输出模块提供电压;继电器控制电路控制电源电路开关以及反馈工作台电源状态。

工作台电源控制模块的继电器控制电路原理图如图4所示。由地Arduino单片机I/O管脚驱动电流最大为20mA，然而工作台电源控制模块使用的12V常开继电器的负荷电流达到50mA，超过Arduino引脚最大电流。为解决Arduino管脚的驱动能力不足问题这里重新设计了一个两级三极管放大电路作为继电器的驱动电路。Q1、Q2 分别使用PNP和NPN三极管，继电器线圈作为Q2三极管的集电极输出负载。为了让工作台的交流电电源闭合，那么RELAY-CON控制端口就要输出低电平，这时Q2三极管集电极与发射极之间导通，继电器线圈得电吸合即可。反之如果要切断工作台继电器线圈电路，这时RELAY-CON输出高电平，交流工作电路完成断开。

同时还设计了反馈电路将工作台交流电源的闭合或者断开状态反馈给上位机，电路如图4所示。RELAY-STA端口是上位机读取工作台交流电源状态的端口，同时为保护上位机，这里设计了隔离光电耦合开关将交流电源与单片机电路隔离起来。

Arduino控制工作台电源模块的流程图如图5所示，控制流程主要包括初始化、接收服务器处理端命令、校验编号是否一致和执行控制端的命令。初始化程程序主要完成Arduino控制器的初始化设置，完成初始化后，将进入主程序循环运行，如果这时接收到服务器端发来的命令，则对命令中的编号与学生校园网系统内容预约工位的编号进行比对是否一致，如果编号一致，这时工作台电源控制模块将执行打开命令，否则一直循环等待。

4 物联网网络层设计

现在所有的云端的物联网平台和设备之间的通信，本质上都是建构在TCP/IP协议之上，只是对数据包的再封装而已，因此我们可以用wifi，4g来实现设备和云平台的通讯，不过设备与设备之间的通讯，可以有wifi，Bluetooth，zigbee等。

而本项目中Arduino单片机与实验室管理上位机服务器之间通过zigbee串口协议进行信息交互，Arduino将传感器的数据发送至上位机服务器电脑，然后服务器通过指令开启http：sudo service apache2 start。

网页服务器开启之后，实验室的实时数据可以传输至网络端，并为跨平台的多终端设备提供访问服务。这些终端设备中要打开浏览器，然后输入服务器的IP地址即可以访问查看实验室的实时数据信息。本设计采用了TCP/IPv6协议，不同网段的设备也都可以通过这个ipv6地址访问到系统。

5 结语

本文针对我们提出的高校实验室管理方案，使用Arduino单片机作为控制器，ZigBee作为通信模块，设计了实验室电源等控制的管理系统。这种设计不但避免了使用复杂的控制芯片，成本也不高，达到了设计的预期目标。

本系统不仅能够正确地接收来自物联网的指令并对其进行解释，也能够根据系统设计的需求进行扩展，控制实验室的设备按照主机的要求运行并有足够的精度和稳定性。

参考文献

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