車(chē)轔轔，孔英會(huì)，趙建立，程文清

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，打破了人們傳統(tǒng)的思維方式，給人類(lèi)生活帶來(lái)巨大的變革[1－2]。從核心構(gòu)成來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)由云計(jì)算的分布式中央處理單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)和感應(yīng)識(shí)別末梢組成[3－4]。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)就像人體那樣，不同的感應(yīng)識(shí)別末梢完成不同的功能處理，通過(guò)中央處理單元協(xié)同運(yùn)作，最終組成智能化的控制系統(tǒng)[5－6]。隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)涉及到各類(lèi)產(chǎn)業(yè)和人們生活的方方面面，將大大提升互聯(lián)和智能方面的特性，使實(shí)現(xiàn)智慧地球的夢(mèng)想成為可能[7－9]。

本文提出一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案，并在華北電力大學(xué)現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)室的改建項(xiàng)目中予以實(shí)現(xiàn)。智慧實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的建設(shè)，旨在提高實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，將RFID技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放、共通的通信實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。該平臺(tái)在全面采集和深度分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提供互動(dòng)、共享、協(xié)作的應(yīng)用和服務(wù)，充分滿(mǎn)足教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)管理人員等不同用戶(hù)的需求，實(shí)現(xiàn)教育信息資源的充分利用[10－11]。

1 總體設(shè)計(jì)

為了充分體現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)在傳輸中的功能，使學(xué)生全面了解現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智慧實(shí)驗(yàn)室體系設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面的需求：

（1）通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部各層之間，同層各個(gè)房間之間數(shù)據(jù)的傳輸，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室體系的傳輸網(wǎng)絡(luò)；

（2）能夠體現(xiàn)不同的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)；

（3）能夠采集多種環(huán)境參數(shù)，從而全面監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，確保實(shí)驗(yàn)室安全；

（4）實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠“物物互聯(lián)”、“物人互聯(lián)”、“人人互聯(lián)”；

（5）易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署、組網(wǎng)和擴(kuò)展，僅需較少人工干預(yù)和配置，即可較快地組建網(wǎng)絡(luò)并開(kāi)始正常工作。

根據(jù)上述功能需求，設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。智慧實(shí)驗(yàn)室體系主要由平臺(tái)子系統(tǒng)、中心服務(wù)器和客戶(hù)端3部分構(gòu)成。平臺(tái)子系統(tǒng)利用溫濕度、光照、氣體、煙霧、圖像等多種傳感器件和射頻識(shí)別設(shè)備，全面感知環(huán)境和設(shè)備信息，然后利用RJ45接口，通過(guò)公共通信網(wǎng)絡(luò)（包括無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)），把感知的信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的中心服務(wù)器并且保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，再利用平臺(tái)對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析和處理，最后客戶(hù)端可利用不同的終端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制[12]。

圖1 智慧實(shí)驗(yàn)室體系框架

2 功能框架

智慧實(shí)驗(yàn)室由5個(gè)功能系統(tǒng)和1個(gè)物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗(yàn)中心平臺(tái)組成。5個(gè)功能系統(tǒng)分別是：（1）基于無(wú)線(xiàn)ZigBee傳感器的智能家居系統(tǒng)；（2）實(shí)驗(yàn)箱管理系統(tǒng)；（3）基于RFID技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)；（4）基于無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；（5）基于電力線(xiàn)通信的智能用電管理系統(tǒng)。這5個(gè)功能系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗(yàn)中心平臺(tái)進(jìn)行Web發(fā)布，其平臺(tái)的訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)的訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面

各個(gè)系統(tǒng)完成的主要功能如下：

（1）智能家居系統(tǒng)。通過(guò)控制臺(tái)和移動(dòng)智能終端可以操控?zé)艄?、窗簾、空調(diào)等家居設(shè)備，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和管理溫濕度和煙霧參數(shù)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器可對(duì)特定區(qū)域的溫濕度、光照參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可控的終端進(jìn)行策略操作。例如檢測(cè)到室內(nèi)溫度到達(dá)某一設(shè)定值時(shí)可以自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)；對(duì)煙霧變化進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)有可能發(fā)生的危害進(jìn)行預(yù)警。

（2）實(shí)驗(yàn)箱管理系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱與服務(wù)器端的通信。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可以在服務(wù)器端的界面觀察到每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，更好地掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，有助于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)箱可以對(duì)做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行電子簽到，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室無(wú)紙化管理的目的。

（3）RFID設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的管理功能，具體描述如下：

儀器設(shè)備庫(kù)：實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)入庫(kù)，對(duì)于儀器查詢(xún)和準(zhǔn)確定位起到一定作用；

儀器借用管理：通過(guò)管理平臺(tái)，教師可以將空閑儀器設(shè)備借出使用；

儀器維修記錄：記錄儀器設(shè)備的維修、報(bào)廢情況；

操作記錄查詢(xún)：儀器的使用信息記錄和查詢(xún)；

智能?chē)鷻冢涸谫F重設(shè)備上加裝帶有傳感功能的定位標(biāo)簽，除可以實(shí)時(shí)定位外，一旦設(shè)備離開(kāi)特定區(qū)域就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

（4）智能用電管理系統(tǒng)。通過(guò)遙測(cè)和遙控可以合理調(diào)配負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，有效節(jié)約電能，并且通過(guò)終端軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電表的電流、電壓、功率及通信狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息采集丟包率的分析，還可對(duì)超過(guò)預(yù)定設(shè)置的相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行報(bào)警。

（5）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品組成無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，在多個(gè)重要地點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控。對(duì)特定區(qū)域的入侵、物品遺留、人體行為、物品丟失、實(shí)驗(yàn)室人群密度等進(jìn)行檢測(cè)。

（6）物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗(yàn)中心平臺(tái)。對(duì)智能家居、實(shí)驗(yàn)箱管理、RFID設(shè)備管理、智能用電管理、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成互聯(lián)，并通過(guò)一個(gè)中心軟件顯示并控制各個(gè)系統(tǒng)。也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。系統(tǒng)可以利用單點(diǎn)、多點(diǎn)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)為傳輸方式，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)傳輸，以獲得全面綜合的體驗(yàn)。

3 技術(shù)方法

智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)利用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)框架構(gòu)建，能夠快速部署安裝，通過(guò)可視化物聯(lián)網(wǎng)綜合體驗(yàn)中心平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)前述5個(gè)功能系統(tǒng)。不同管理模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由部署在實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線(xiàn)傳感器基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、部署在不同樓層的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控與管理中心3部分體系結(jié)構(gòu)組成。

圖3 智慧實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1 基于無(wú)線(xiàn)ZigBee傳感器的智能家居系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)由環(huán)境感知層、信息網(wǎng)絡(luò)層和信息處理應(yīng)用層組成，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的信息讀取與控制。

環(huán)境感知層由溫濕度、光敏、煙霧等傳感器及電視、電燈、窗簾等開(kāi)關(guān)控制器件構(gòu)建而成；信息網(wǎng)絡(luò)層采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)和有線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行搭建；信息處理層用來(lái)控制中心系統(tǒng)連接電視機(jī)、空調(diào)、窗簾、臺(tái)燈等，通過(guò)感知層采集到數(shù)據(jù)，結(jié)合自定義的策略，運(yùn)算得出結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，通過(guò)ZigBee協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)有線(xiàn)與交換機(jī)相連并將信號(hào)送往 Web服務(wù)器，最終可通過(guò)Internet、GPRS等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)路徑均可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。

3.2 基于RFID技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)

運(yùn)用先進(jìn)的RFID技術(shù)，對(duì)固定資產(chǎn)管理模式進(jìn)行優(yōu)化與整合。實(shí)驗(yàn)室門(mén)口安裝防盜讀寫(xiě)器，只要有設(shè)備被移出實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)就會(huì)立刻報(bào)警。每個(gè)房間的設(shè)備資產(chǎn)都有統(tǒng)一的編號(hào)，方便對(duì)資產(chǎn)的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行管理。

3.3 基于電力線(xiàn)通信的智能用電管理系統(tǒng)

智能用電管理系統(tǒng)依托校園網(wǎng)、電力線(xiàn)載波組網(wǎng)，硬件主要包括監(jiān)控終端、采集器、智能電表、通信模塊、計(jì)算機(jī)等，軟件包括前置機(jī)軟件和測(cè)試客戶(hù)端軟件。智能電表之間利用電力載波通信，使用DL645-2007規(guī)約通信。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)箱管理系統(tǒng)

用Strix Mesh產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)模塊（WLAN＋Mesh）搭建視頻監(jiān)控系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)箱管理系統(tǒng)，可以完成視頻信號(hào)在建筑物內(nèi)部各樓層之間、同樓層各個(gè)房間之間的數(shù)據(jù)無(wú)障礙流暢傳輸。這是由于Mesh設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗、可靠性高、傳輸速率高；

（2）室內(nèi)設(shè)備體積小，容易布網(wǎng)；

（3）網(wǎng)絡(luò)配置和維護(hù)簡(jiǎn)便快捷；

（4）自組織，自愈合，可升級(jí)的多跳網(wǎng)絡(luò)；

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)和管理；

（6）可與其他平臺(tái)設(shè)備互聯(lián)互通。

視頻采集終端和實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡發(fā)送其采集到的實(shí)時(shí)信息，這些信息由Mesh節(jié)點(diǎn)收集到數(shù)據(jù)然后傳送到Mesh協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給交換機(jī)，然后連接到服務(wù)器上顯示采集內(nèi)容。該網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)選擇帶寬最好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使學(xué)生全面了解各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳輸功能，智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用RFID技術(shù)進(jìn)行信息采集、采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行短距離布網(wǎng)、采用Mesh技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。該系統(tǒng)依托華北電力大學(xué)現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)室改建項(xiàng)目，已經(jīng)建成了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、開(kāi)放共通的智慧實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。

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