曲 娜, 盛桂珍, 楊海波

(1. 吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院, 吉林 長春 130111； 2. 北京精儀達(dá)盛科技有限公司, 北京 100089)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曲 娜1, 盛桂珍1, 楊海波2

(1. 吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院, 吉林 長春 130111； 2. 北京精儀達(dá)盛科技有限公司, 北京 100089)

設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧型開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集智能實(shí)驗(yàn)管理、遠(yuǎn)程管理、傳感與視頻聯(lián)動(dòng)及能源節(jié)約等功能優(yōu)勢于一體,采用統(tǒng)一的技術(shù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)校內(nèi)開放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)共享,可以通過3G客戶端、移動(dòng)終端、PC端等來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理功能。智慧型開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變了指定時(shí)間、指定地點(diǎn)、指定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的傳統(tǒng)模式,既滿足了學(xué)生對(duì)實(shí)時(shí)開放實(shí)驗(yàn)室的需求,也減少了實(shí)驗(yàn)室管理的負(fù)擔(dān)。

智慧實(shí)驗(yàn)室； 物聯(lián)網(wǎng)； 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

1 對(duì)智慧型開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的需求

目前,我國已經(jīng)擁有的一些比較成熟的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)[1-2](laboratory information management system,LIMS)商業(yè)軟件,如英普思軟件有限責(zé)任公司研發(fā)的Inpro LIMS,北京中科科儀計(jì)算技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)的SISc LIMS,北京匯博精瑞科技有限責(zé)任公司研發(fā)的LabBuilder LIMS等[3]。這些管理系統(tǒng)軟件主要是面向公司應(yīng)用的,適合在分析型實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用；這些軟件的功能模塊一般是服務(wù)于操作流程的。有些LIMS商業(yè)軟件看似內(nèi)容豐富,在實(shí)際應(yīng)用中卻存在許多不合理或不便于使用的缺陷,有些產(chǎn)品只有“增”、“刪”、“改”、“查”等基本功能,缺少統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)信息查詢功能,不能充分滿足高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和管理要求[4]。因此,基于高校實(shí)驗(yàn)室使用的管理信息系統(tǒng)還有很大的研究、探索的空間。

筆者根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室信息管理的實(shí)際需要,統(tǒng)籌學(xué)校資源,把學(xué)生信息管理功能、安防監(jiān)控功能和設(shè)備管理功能等結(jié)合起來,開發(fā)出一套適合本校新校區(qū)管理需要的智慧開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)符合學(xué)校發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的模式,體現(xiàn)了高能力、高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)思路和總體方向[5-6]。

2 智慧開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能

(1) 預(yù)警功能。該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)視頻資料的記錄功能,還要有一定的預(yù)警功能,將視頻信息與網(wǎng)絡(luò)傳送結(jié)合起來,在第一時(shí)間向相關(guān)管理人員發(fā)送短信和抓拍的圖片信息。

(2) 遠(yuǎn)程控制。通過網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及控制,例如遠(yuǎn)程授權(quán)控制門禁系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)等多種模塊,方便進(jìn)行管理和控制。

(3) 智能化管理。該系統(tǒng)可以通過服務(wù)端軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種智能化設(shè)置,例如電源在08:00—20:00可以通電,而在其他時(shí)間段不能通電；門禁系統(tǒng)只允許人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)刷卡進(jìn)入等多種智能化管理措施。

(4) 無線傳輸。前端的節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以通過無線的方式與報(bào)警主機(jī)連接,避免施工過程中布線帶來的麻煩。

(5) 適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)。平臺(tái)可適應(yīng)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)集合。

(6) 適合多種操作方式和多種用戶?？赏ㄟ^PC機(jī)、移動(dòng)終端設(shè)備接入系統(tǒng)[7]。實(shí)驗(yàn)室管理人員可遠(yuǎn)程操作和控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)電器設(shè)備；學(xué)生可遠(yuǎn)程查看實(shí)驗(yàn)室是否有空余位置以便安排實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。視頻監(jiān)視系統(tǒng)可采集現(xiàn)場視頻信息、查看機(jī)房環(huán)境狀況,并將視頻信息存儲(chǔ)在服務(wù)器的硬盤中,供客戶端調(diào)取、回放。

(7) 門禁考勤功能。采用13.56 MHz的RFID射頻卡,學(xué)生可以刷卡開啟實(shí)驗(yàn)室門禁,后臺(tái)系統(tǒng)能自動(dòng)獲取刷卡人的身份信息和刷卡時(shí)間并進(jìn)行考勤記錄。排座系統(tǒng)能根據(jù)機(jī)房座位的情況自動(dòng)分配學(xué)生的座位。

基于智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)方法

3.1 ZigBee協(xié)議棧的升級(jí)與多種節(jié)點(diǎn)控制

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧實(shí)驗(yàn)室節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括以下方面。

(1) ZigBee實(shí)驗(yàn)箱智能取電節(jié)點(diǎn)?？梢詫?duì)安裝有智能取電節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)箱遠(yuǎn)程授權(quán),經(jīng)授權(quán)后學(xué)生才可以操作此實(shí)驗(yàn)箱,防止在非授權(quán)的情況下操作實(shí)驗(yàn)箱,減少實(shí)驗(yàn)箱的損壞。管理人員可以在終端及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)完成后未斷電的實(shí)驗(yàn)箱并采取措施,有效避免實(shí)驗(yàn)室的電氣安全事故。

(2) ZigBee火災(zāi)檢測節(jié)點(diǎn)。采用離子式煙霧傳感器,內(nèi)含電離室,所用放射性元素镅241(Am241)的活度約2.96×104Bq。正常狀態(tài)下處于電場的平衡狀態(tài),當(dāng)煙塵進(jìn)入電離室后會(huì)破壞這種平衡,報(bào)警電路檢測到濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警。數(shù)據(jù)開發(fā)包支持C/S、B/S架構(gòu)的VC++/C#/Java。

(3) ZigBee可燃?xì)怏w檢測節(jié)點(diǎn)?？扇?xì)怏w探測器采用高品質(zhì)傳感器,微處理器結(jié)合精密溫度傳感器能夠智能補(bǔ)償氣敏元件的漂移,環(huán)境適應(yīng)范圍寬,工作穩(wěn)定,可檢測天然氣、液化石油氣和煤氣的濃度,支持C/S、B/S架構(gòu)的VC++/C#/Java。

(4) ZigBee溫/濕度采集節(jié)點(diǎn)。溫/濕度傳感器SHT11把傳感元件和信號(hào)處理集成起來,輸出的數(shù)字信號(hào)為全標(biāo)定,具有高可靠性與長期穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中所采用的溫/濕度傳感器將一個(gè)利用能隙材料制造的測溫元件和一個(gè)電容性聚合體的測濕敏感元件結(jié)合在同一芯片上,與14位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中,在標(biāo)定的過程中使用。

(5) ZigBee光照度采集節(jié)點(diǎn)。光照度傳感器采用AVAGO公司的數(shù)字光照度傳感器APDS-9300。APDS-9300是一款低電壓數(shù)字環(huán)境光照光學(xué)傳感器,可以將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并直接通過I2C接口輸出。每個(gè)器件都配置了一個(gè)寬帶光電二極管(外加紅外線可見)和一個(gè)紅外光電二極管。2個(gè)集成型ADC將光電二極管電流轉(zhuǎn)換到數(shù)字輸出接口時(shí)即對(duì)每個(gè)通道上的照射強(qiáng)度進(jìn)行測量。這種數(shù)字輸出信號(hào)可以被輸入到微處理器中,采用經(jīng)驗(yàn)公式將勒克斯照度(環(huán)境光照度)推導(dǎo)為近似人眼的視覺反應(yīng)。

(6) ZigBee聲光報(bào)警器節(jié)點(diǎn)。ZigBee聲光報(bào)警器節(jié)點(diǎn)的作用是:當(dāng)有傳感器或圖像識(shí)別設(shè)備檢測到系統(tǒng)設(shè)定外的異常情況時(shí),系統(tǒng)將發(fā)出高分貝的警笛聲音,提醒用戶和警示入侵者。

各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后,通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)采集協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過有線傳輸將信號(hào)送往Web服務(wù)器,最終可通過Internet、GPRS等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)路徑實(shí)現(xiàn)雙向通信。

3.2 嵌入式視頻編解碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有視頻采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和控制等功能。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為3部分[8]:

(1) 嵌入式流媒體服務(wù)器設(shè)計(jì),主要功能是完成視頻采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸功能；

(2) 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì),主要處理監(jiān)控端發(fā)來的請(qǐng)求并實(shí)現(xiàn)與瀏覽器的交互,為用戶提供監(jiān)控平臺(tái)；

(3) 視頻監(jiān)控端設(shè)計(jì),用戶在客戶端向嵌入式Web 服務(wù)器發(fā)出視頻監(jiān)控請(qǐng)求,通過CGI程序與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行交互,Web服務(wù)器接到請(qǐng)求后啟動(dòng)嵌入式流媒體服務(wù)器,將攝像頭采集到的視頻經(jīng)過流媒體服務(wù)器處理后存儲(chǔ)并傳輸?shù)奖O(jiān)控端,用戶可以實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻監(jiān)控。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 視頻監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多種查看顯示

(1) 服務(wù)端軟件采用C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式視頻數(shù)據(jù)集中管理與存儲(chǔ),具有強(qiáng)大的智能識(shí)別與智能分析處理功能,支持CMRTP協(xié)議。該軟件支持64個(gè)NVS(embedded-network video system)點(diǎn),具有視頻存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、傳感數(shù)據(jù)傳輸、控制命令轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)警信息處理等功能。

(2) PC機(jī)客戶端視頻查看與控制軟件具有設(shè)備管理和在線設(shè)備顯示、設(shè)備點(diǎn)未連接顯示列表、四畫面視頻實(shí)時(shí)查看、報(bào)警信息與設(shè)備問題信息顯示、視頻錄像檢索與回放、設(shè)備日志管理、報(bào)警日志管理、操作日志管理、報(bào)警方式與顯示設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)傳輸模式設(shè)置、控制命令發(fā)送與狀態(tài)顯示、傳感數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警畫面自動(dòng)彈出等功能。

(3) PAD端視頻查看與控制軟件具有設(shè)備管理與在線設(shè)備顯示、視頻實(shí)時(shí)查看、報(bào)警信息與設(shè)備問題信息顯示、視頻錄像檢索與回放、報(bào)警日志管理、報(bào)警方式與顯示設(shè)置,網(wǎng)絡(luò)傳輸模式設(shè)置、控制命令發(fā)送與狀態(tài)顯示、傳感數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警提醒等功能。

4 結(jié)束語

基于智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)在開放服務(wù)、資源共享、便捷管理和節(jié)省人力資源等諸多方面具有重要意義,市場前景廣闊[9-10]。該項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)智慧家庭、物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)智慧商鋪、物聯(lián)網(wǎng)智慧工業(yè)等更多的應(yīng)用領(lǐng)域[11-12],培養(yǎng)更多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)人才[13]。

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[2] 李君.實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].青島:中國海洋大學(xué),2010.

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[13] 陸基孟,金波,徐京明,等.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,加強(qiáng)能力培養(yǎng):石油高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革主要經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2000,17(1):97-100,110.

Design of intellignet open laboratory management system based on Internet of things technology

Qu Na1, Sheng Guizhen1, Yang Haibo2

(1. City College, Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China; 2. Beijing Techshine Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China)

The intelligent open laboratory management system is designed based on Internet of things technology. The system integrates the advantages of intelligent experiment management, remote management, sensing and video linkage and energy saving. It uses the unified technology platform to realize the data sharing of the open laboratory in the University. It can realize the function of monitoring and management through 3G client, mobile terminal and PC terminal. The intelligent open laboratory management system to make the experimental teaching has changed the traditional mode of the designated time, designated place, designated experimental project, which can nat only meet the needs of students to open laboratory in real time, but also reduce the burden of laboratory management.

intelligent laboratory; Internet; laboratory management system

2015- 05- 06

曲娜(1982—),女,吉林長春,碩士,講師,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用.

E-mail：271672706@qq.com

TP393

A

1002-4956(2015)12- 0140- 03