基于物联网的实验室仪器设备智能监控系统设计

DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.10.011

引 言

随着时代的发展，很多行业对智能监控系统都有涉及， 本文以高职院校实验室的智能监控系统为例展开一系列研究。在高职院校的固定资产中不可或缺的就是仪器设备，而对仪器设备进行科学管理，可以将仪器设备的投资效果更好地展现出来。正因为如此，仪器设备的监控管理也受到广泛关注。时至今日，物联网涉及广泛，如农业、工业、交通、医疗以及军事等，其未来的发展趋势是实现物与物、物与人的进一步结合， 以达到智能化控制的目的。物联网技术在现实生活中的实施应用能够动态或实时地感知实验室设备的操作，使用和维护以及对一系列功能进行统计，并有效发挥设备信息技术和智能化管理的作用，以此形成的全新管理模式为“互联网 + 设备”。

1 智能监控系统设计

1.1 系统总体框架设计

基于物联网高职院校的仪器设备智能监控系统的总体框架如图 1 所示。系统包含前端传感器、网关、Web 应用程序和后端数据库以及其他几个主要部分。其中，仪器设备和前端传感器使用传感器技术来感知仪器设备的信息，而前端传感器使用无线网络模块（ZigBee 无线通信模块）技术收集数据并上传到 Web 服务器。当用户打开仪器时，安装在仪器上的电流互感器可以检测到电流信号，以确认前端传感器设备已打开， 并通过 ZigBee 网络向网关发送信息。网关可以通过互联网接入技术接收运营商信息，还可将打开、关闭信息以及运行状态信息数据加入Web 服务器数据库中，实现对仪器设备系统设备的管理。

                                                                                                      图1 仪器设备智能监控系统总体框架

1.2 路由节点关键模块设计

1.2.1 实验室仪器设备开关控制模块

路由节点的关键模块主要由开关控制模块与运行状态感应模块组成。

由于高职院校实验室内设备用途不一样，因此为方便使用，其开关控制需使用两级开关。假设各实验室均构建如图 2 所示的两级开关模型，当继电器模块由远程终端或服务器打开时，实验室内的仪器设备可以按照需求由按键开关进行控制。

                                                                                                             图 2 两级开关控制模型

1.2.2 仪器设备运行状态感应模块的应用

在 220 V 交流工作电压下，负载运行状态无法直接借助芯片进行测量，因而本文采用电流互感法以减弱电路中的电流， 通过采用串联方式在 220 V 交流电路中结合传感器与实验室内的常用仪器设备实现。

假设互感器用T1 表示，二极管用D1 表示，电阻用 R3 表示， 其两端电压用 U3表示，设 T1的比例系数为 n ：m，Ud代表D1正向导通时的两端电压，则 U3 可用公式（1）表示，即电阻 R3两端的电压公式 ：

由于实验室内各类型仪器设备具不同的电流，因此 D1 处于击穿状态的前提条件是对 R1，R2进行调整，从而在 R3的两端获取稳定电压。

1.3 前端传感器

前端传感器由接收驱动电流互感器模块、TE200 温度检测传感器模块、湿度传感器模块和 ZigBee 无线通信模块等组成。电流互感器用于监测设备的开启和关闭，温湿度传感器用于监测设备运行状态和室内环境条件，部分设备拥有数据通信能力，即相关信息的读取可借助数据接口完成。前端传感器通过ZigBee 射频模块将采集到的实时信息发送给网关。

1.4 无线数据收集与控制设计

前端传感器在接收网关信号的同时，还获得有仪器设备的状态信息。网关逐个接收各前端传感器的信息，其中一个或多个设备的数据与信息可由同一网关接收。由于网关和前端传感器的低功耗局域网模块传输的信号范围可达数百米，因此网关适用于单独的实验室或者整栋楼层，从而达到数据传输的要求。前端感应装置通过无线（ZigBee 射频）模块将采集到的数据信息发送到网关，经过滤、分析和打包等过程，将数据信息上传到指定 Web 服务器的前端传感装置中，并在固定时间内对其进行处理。可借助互联网将 Web 服务器程序发送的控制指令传递给各网关，方便对各集中器的工作状态进行设置。图 3 所示为数据收集和网络访问控制程序流程图。

1.5 Web 程序设计

Web 服务程序主要负责处理由集中器传输的信息，对设备用户或管理员的身份信息进行验证，并上报设备的运行状态，诊断信息和定期维护信息，最终以管理报告的形式提供给实验室教师或管理人员查看。

用户可以分为普通用户和管理员两大类，在设备购买、录入、预约、使用以及维护等流程的基础上，其目标功能包括完善用户登录、设备录入、设备预约、设备实时数据查询、设备统计分析，设置参数以及用户管理。其详细过程如图 4 所示，各功能模块的具体情况如下：

（1）用户登录 ：因用户分为普通用户和管理员两类，所以在进行登录时要设置两类用户进行相关操作 ；

（2）设备录入 ：用以存储所有设备仪器的信息 ；

（3）设备预约 ：在使用该设备时要在互联网上填写相应的表格进行预约 ；

（4）设备实时数据查询 ：对分类展示用户设备操作的实时数据进行查询 ；

（5）设备统计分析 ：对设备的使用情况进行统计并分析 ；

（6）系统参数设置 ：进行系统的初始化参数设置 ；

（7）设备维护 ：设备出现故障之后要走报修、保养和报废等流程 ；

（8）用户管理 ：对设备的使用者以及教师类的用户进行管理和授权。

2 系统功能测试

本文以内蒙古电子信息职业技术学院为例选取了 1 间实验室作为测试对象，模拟高职院校对实验室仪器设备的监控控制。实验室控制电器包含 1 个总开关、5 台仪器设备及 3 个窗户开关。

2.1 测试准备

首先，电路的检测需要先运行仪器设备，并将其与各低功耗局域网模块连接，重点应考虑各负载状态的远程测定， 需要确保 D1 处于击穿状态，D1 击穿的前提是对电位器 R1 和R3进行调整。针对 ZigBee 无线通信模块进行程序编写时，需要对 ZStack-CC2530-2.5.1a 协议栈控制卡中的变量值进行修改，使得每个设备拥有的编号都独一无二且具有规律性，此举有利于在 Clients 对实验室中的无线射频设备进行区分，以实现数据处理的集中化。

服务器可以选用型号为 FS4412的开发板。服务器及无线射频协调器的串口连接可借助通用异步收发传输器，在 Server 程序下的无类型函数中对 CN的互联网协议地址进行修改。由于互联网协议地址的有效性无法通过FS4412开发板进行简单验证，检验可用性的过程即为将连接至CN电脑的互联网协议地址修改为即将使用的 IP地址。将 FS4412开发板设置为程序编译后的下载位置，接入网线并将电源开启后，若FS4412开发板上的液晶屏显示 ：IP地址与路由地址分别为10.10.84.244，10.10.83.1时，则代表校园网已连接成功且初始化过程已完成。

将全部设备的电源开关打开，并对各无线射频节点设备发光二极管的指示灯进行检查，确认是否常亮，常亮则表示无线射频网络已成功加入，且初始化过程已完成 ；若指示灯未常亮，则表示 ZC 以及无线射频网络需要重新载入或加入。

2.2 客户端测试

在各 Qt 编译环境下对 Qt 编写的用户界面客户端程序进行编译，并生成与各系统对应的用户界面客户端。

当客户端打开，通知窗显示“成功连接”时，则表示客户端已成功连接到 Server，若未成功连接，则需要对服务器的配置合理性进行检查。在抽屉类的主界面上点击所要监控的实验室按钮时，该实验室的所有仪器设备工作时间与状态的控制按钮都会弹出，处于打开状态的设备无法再点击其打开按钮。与此同时，可以点击其“关闭”按钮，在用户界面中，仪器设备的工作时间将会显示在各液晶显示器上；而点击相应实验室仪器设备的“关闭”按钮后，其“打开”按钮便能继续发挥信号输入与输出的功能。退出后，相应的内存也会清除，以确保多次打开客户端时系统的稳定性。

2.3 服务器自动控制测试

实验室内的全部仪器设备会在实验室空无一人的情况下自动关闭，但实验室内空旷的状态需要持续 20 min，当实验室内有人时，相关仪器设备开关会根据周围环境进行开启或关闭。实验室的总电源会由于烟雾的产生而关闭 ；实验室的窗户会在通过湿度检测传感器感知到水滴后自动关闭。

3 结 语

随着时代的发展，智能监控系统所涉及的应用领域愈加广泛。本文利用前端传感器、ZigBee 无线网络等技术，基于物联网技术对高校实验室常用电器智能监控系统进行设计，目的在于优化高职院校仪器设备管理工作，提高仪器设备的维护水平，确保仪器在使用过程中的安全性、可靠性。在实际测试中，达到了预想的效果，实验室内应当逐步增添监控探头， 以更好地对电器、仪器设备进行智能控制。