淺談開放實驗室管理系統設計范文

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摘要:基于物聯網的開放實驗室管理系統，從溫濕度、光照強度、可燃氣體等多個方面對實驗室進行環境監控，使實驗室成員能夠舒適地在實驗室中學習;采用射頻識別技術實現了簽到、門禁功能和儀器設備的借還記錄功能，不僅保證了實驗室的安全防盜，還能自動記錄實驗室人員的出勤情況，省去了人工記錄信息的不便，也可以記錄實驗室設備的借出情況，有效地避免了設備丟失帶來的損失;系統還可以通過遠程控制實驗室內的窗戶、燈光等，方便實驗室人員的生活;利用物聯網與各種傳感器、單片機構成節點，完成了各模塊之間數據的采集、傳輸和處理;并利用PC機作為上位機，實時記錄和顯示實驗室的環境信息，并將信息通過ipv6網頁服務器實時到公網，使用者可以通過手機、電腦任何終端設備打開網頁查看工位使用情況合理分配位置。該系統設計既滿足了學生對實時開放實驗室的需求，也減少了實驗室管理的負擔，達到了開放式的設計要求。

關鍵詞:物聯網;單片機;ipv6;射頻識別(RFID);HTTP0

引言

隨著高校實驗室開放功能的發展確立，越來越多的學生也選擇在課余時間進入實驗室來學習一些專業技能，導致實驗室的人員不斷增多，人員的流動性也隨即攀升，實驗室在管理方面的工作量日趨繁重。這就要求實驗室引入新的管理模式，來減輕實驗室管理的負擔和成本。現在大多的實驗室都是采用人工管理為主的方法，要改進已經建成的實驗室管理，采用物聯網技術就是一個良好有效的解決方案。物聯網是指通過射頻技術(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與因特網連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，在物聯網中，物與物、物與人之間是能夠相互通信的。綜上分析可知，物聯網的特性則能全面解決開放型實驗室管理過程中存在的問題，也能使數據信息的交換和通信更加穩定，并且物聯網技術已經在多個方面得到了突破性進展，對于實驗室的管理與發展也提供了一個有利契機及選取模式。基于此，本次研究即將物聯網技術融進了開放實驗室管理系統的建設實踐中，設計論述內容可具體展開如下。

1系統架構

該系統主要分為如下部分:環境信息檢測模塊、簽到門禁模塊、單片機控制系統、物聯網信息交換模塊、設備借還自動記錄系統、遠程控制模塊、上位機信息處理顯示模塊。其中，環境信息檢測模塊包括溫度、濕度、燈光等信息的檢測和采集。簽到門禁模塊通過射頻識別卡進行身份驗證，來規范統籌實驗室成員的簽到記錄和實驗室的安全保障工作。單片機控制系統和物聯網模塊共同實現各個部分之間的控制和通信。設備借還記錄系統通過射頻識別和物聯網聯合構建而成，能夠完整地記錄每個設備的借還信息。遠程控制模塊主要由物聯網來遠程控制窗戶、燈光的開關。

2遠程節點設計

2．1門禁與簽到模塊設計

門禁與簽到模塊是實驗室管理的基礎組成部分，主要由物聯網、單片機、上位機和射頻識別構成。其中，射頻識別是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據。利用這一特點，可為每位實驗室成員發放一專屬成員卡，并且各成員卡均將發出不同的的電訊號，通過檢測無線電信號的不同頻率，來讀取不同的成員信息，判斷信息是否有效后將信息通過物聯網傳送到單片機進行數據處理，再由上位機給出結果展示。

2．2環境監測模塊設計

實驗室環境檢測模塊設計也將成為本次實用研究的重點內容。該模塊在操作研發上，可以定時檢測室內溫濕度、光照強度和可燃氣體濃度，并按照設定值提供自動調節。當可燃氣體檢測超標時就會發出警報。環境監測模塊中各部分的功能解析可分述如下:1)溫濕度檢測。溫濕度檢測使用了DHT11溫濕度傳感器，這是一款自帶已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。可以將傳感器擺放到實驗室中的多個位置，定時將采集的溫濕度信息由ZigBee發送到單片機，單片機將采集值與設定值做出比較，從而自動選取調節溫度或打開加濕器等操作。2)光照強度檢測。人的眼睛由于瞳孔的調節作用，對于一定范圍內的光輻射都能適應，但如果光輻射過強，就會對人們的正常生活和工作帶來不利影響，并在一定限度上損害人體健康。為了避免如上研究問題，這里使用TEMT6000環境光傳感器來實時檢測實驗室內的光照強度，當環境光亮度超標時，會及早提醒實驗室人員調暗燈光。3)可燃氣體檢測。各類實驗室中都會配備使用到一些酒精、化學試劑等物品，這就容易產生一些可燃性氣體，當實驗室內可燃性氣體濃度過高時極易發生火災。研究可知，MQ－9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷、液化氣的靈敏度較高，可以支持檢測多種含一氧化碳及可燃性的氣體，是一款適用于廣泛背景場合的低成本傳感器。這里使用MQ－9傳感器，實時檢測室內可燃性氣體濃度，當濃度超標時會發出警報并自動打開窗戶，能夠有效預防火災的發生。

2．3遠程控制模塊設計

遠程控制模塊的設計主要是為了智能化的便捷操作。例如，學生在離窗較遠的地方想要開窗，將無需起身，只要通過遠程控制，將開窗指令通過物聯網發送到控制窗戶的舵機就可打開窗戶。另外，燈光由物聯網控制繼電器來調節，窗簾由物聯網控制電機來實現，還可根據需要任意加入其他設備。

2．4設備借用模塊設計

開放實驗室的管理工作中，必須正視的一個關鍵問題就是如何保障借出的設備不致丟失。為解決此問題，這里主要使用了射頻識別技術，為每臺設備中裝入一個RFID標簽，如此處理后，每臺設備就相當于有了特定的“電子身份證”。借出時，利用學生一卡通認證后，即可將借用者信息記錄下來，當設備歸還后再將借用記錄自動清除。全程無需人工記錄，不僅省時省力，還不會出現環節記錄錯誤。

3物聯網網絡層設計

MCU與Linux電腦之間通過串口協議建立交互，MCU將傳感器的數據發送到Linux電腦，Linux端電腦通過如下指令開啟http服務器:sudoserviceapache2start。網頁服務器成功開啟后，實驗室監控數據可以到公網上，從而可為跨平臺多終端設備提供訪問。安卓、IOS等操作系統的設備只要打開瀏覽器，輸入Linux電腦的IP地址，即可查看物聯網實驗室的實時數據。Http服務器采用TCP/IPv6協議，擁有一個128位全球唯一的IP地址，由于ipv4地址緊缺，大部分ipv4網絡都使用了NAT技術，基于此內網設備就都沒有獨立的公網IP。本系統網絡層采用ipv6突破內網封鎖，不同網段的設備都可以通過這個全球唯一的ipv6地址訪問到系統。物聯網是本次研究設計的通信中樞，將遠程節點的數據通過物聯網控制接收，并將接收到的數據發送到MCU，MCU對數據進行處理和分析后再通過物聯網送回遠程節點，完成動作。簡單來說，就是為遠程節點和MCU搭建一個無線的通信橋梁。

4物聯網應用層設計

過程中，由于該系統采用了Http服務器，因此也采用了超文本標記語言HTML5研發網頁程序，并使用css編寫網頁前端，利用Javascript編寫網頁交互程序，最后通過Python腳本鏈接到Mysql數據庫，記錄整理并得到了網頁運營日志。

5結束語

實驗室是當今高校建設的重要組成部分，隨著科學的進步，開放和智能已然成為日后實驗室的發展方向。在前期的調研過程中，發現一些高校實驗室的管理水平仍屬初級，并且實驗室資源浪費嚴重。針對這一現狀，本次設計通過物聯網與射頻識別技術的聯合使用，實現了開放實驗室的智能管理，有效地解決了部分實驗室存在的人員記錄、儀器借用和改造布線難等問題，優勢合理地利用了實驗室資源，從而大幅提升了設備的利用率。

參考文獻:

［1］夏春琴．基于RFID的高校實驗室管理系統設計與實現［D］．蘇州:蘇州大學，2013．

［2］劉媛媛．基于RFID+Zigbee技術的開放型實驗室管理系統設計［D］．南京:南京郵電大學，2011．

［3］陳素琴．物聯網數據采集系統統計［D］．南京:南京郵電大學，2011．

［4］朱洪波，楊龍祥，朱琦．物聯網技術進展與應用［J］．南京郵電大學學報(自然科學版)，2011，31(9):1－9．

［5］李君．實驗室綜合管理平臺系統的設計與實現［D］．青島:中國海洋大學，2010．

［6］王為，王春潮，李小昱，等．關于開放式實驗室建設的思考與探索［J］．實驗室研究與探索，2009，28(4):272－273，276．

［7］盛希寧，顧濟華．基于ZigBee無線傳感器網絡的實驗室監控系統設計［J］．電子工程師，2007，33(9):67－69，73．

［8］昂志敏，金海紅，范之國，等．基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現［J］．現代電子技術，2007(10):47－49，57．

［9］瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術及應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2007．

［10］曾銳，徐朝軍．開放實驗室管理理念及實現［J］．實驗室研究與探索，2002，21(3):108－109，112．

［11］畢立祥，杜守旭．加強儀器設備管理，提高設備使用效益［J］．實驗室研究與探索，2001，20(5):124－126.

作者：柳春曉；柴雷剛；楊旭；楊斐；呂寧；鄭齊操 單位：天津職業技術師范大學