浅谈开放实验室管理系统设计范文

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摘要:基于物联网的开放实验室管理系统，从温湿度、光照强度、可燃气体等多个方面对实验室进行环境监控，使实验室成员能够舒适地在实验室中学习;采用射频识别技术实现了签到、门禁功能和仪器设备的借还记录功能，不仅保证了实验室的安全防盗，还能自动记录实验室人员的出勤情况，省去了人工记录信息的不便，也可以记录实验室设备的借出情况，有效地避免了设备丢失带来的损失;系统还可以通过远程控制实验室内的窗户、灯光等，方便实验室人员的生活;利用物联网与各种传感器、单片机构成节点，完成了各模块之间数据的采集、传输和处理;并利用PC机作为上位机，实时记录和显示实验室的环境信息，并将信息通过ipv6网页服务器实时到公网，使用者可以通过手机、电脑任何终端设备打开网页查看工位使用情况合理分配位置。该系统设计既满足了学生对实时开放实验室的需求，也减少了实验室管理的负担，达到了开放式的设计要求。

关键词:物联网;单片机;ipv6;射频识别(RFID);HTTP0

引言

随着高校实验室开放功能的发展确立，越来越多的学生也选择在课余时间进入实验室来学习一些专业技能，导致实验室的人员不断增多，人员的流动性也随即攀升，实验室在管理方面的工作量日趋繁重。这就要求实验室引入新的管理模式，来减轻实验室管理的负担和成本。现在大多的实验室都是采用人工管理为主的方法，要改进已经建成的实验室管理，采用物联网技术就是一个良好有效的解决方案。物联网是指通过射频技术(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与因特网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，在物联网中，物与物、物与人之间是能够相互通信的。综上分析可知，物联网的特性则能全面解决开放型实验室管理过程中存在的问题，也能使数据信息的交换和通信更加稳定，并且物联网技术已经在多个方面得到了突破性进展，对于实验室的管理与发展也提供了一个有利契机及选取模式。基于此，本次研究即将物联网技术融进了开放实验室管理系统的建设实践中，设计论述内容可具体展开如下。

1系统架构

该系统主要分为如下部分:环境信息检测模块、签到门禁模块、单片机控制系统、物联网信息交换模块、设备借还自动记录系统、远程控制模块、上位机信息处理显示模块。其中，环境信息检测模块包括温度、湿度、灯光等信息的检测和采集。签到门禁模块通过射频识别卡进行身份验证，来规范统筹实验室成员的签到记录和实验室的安全保障工作。单片机控制系统和物联网模块共同实现各个部分之间的控制和通信。设备借还记录系统通过射频识别和物联网联合构建而成，能够完整地记录每个设备的借还信息。远程控制模块主要由物联网来远程控制窗户、灯光的开关。

2远程节点设计

2．1门禁与签到模块设计

门禁与签到模块是实验室管理的基础组成部分，主要由物联网、单片机、上位机和射频识别构成。其中，射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。利用这一特点，可为每位实验室成员发放一专属成员卡，并且各成员卡均将发出不同的的电讯号，通过检测无线电信号的不同频率，来读取不同的成员信息，判断信息是否有效后将信息通过物联网传送到单片机进行数据处理，再由上位机给出结果展示。

2．2环境监测模块设计

实验室环境检测模块设计也将成为本次实用研究的重点内容。该模块在操作研发上，可以定时检测室内温湿度、光照强度和可燃气体浓度，并按照设定值提供自动调节。当可燃气体检测超标时就会发出警报。环境监测模块中各部分的功能解析可分述如下:1)温湿度检测。温湿度检测使用了DHT11温湿度传感器，这是一款自带已校准数字信号输出的温湿度传感器，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。可以将传感器摆放到实验室中的多个位置，定时将采集的温湿度信息由ZigBee发送到单片机，单片机将采集值与设定值做出比较，从而自动选取调节温度或打开加湿器等操作。2)光照强度检测。人的眼睛由于瞳孔的调节作用，对于一定范围内的光辐射都能适应，但如果光辐射过强，就会对人们的正常生活和工作带来不利影响，并在一定限度上损害人体健康。为了避免如上研究问题，这里使用TEMT6000环境光传感器来实时检测实验室内的光照强度，当环境光亮度超标时，会及早提醒实验室人员调暗灯光。3)可燃气体检测。各类实验室中都会配备使用到一些酒精、化学试剂等物品，这就容易产生一些可燃性气体，当实验室内可燃性气体浓度过高时极易发生火灾。研究可知，MQ－9气体传感器对一氧化碳、甲烷、液化气的灵敏度较高，可以支持检测多种含一氧化碳及可燃性的气体，是一款适用于广泛背景场合的低成本传感器。这里使用MQ－9传感器，实时检测室内可燃性气体浓度，当浓度超标时会发出警报并自动打开窗户，能够有效预防火灾的发生。

2．3远程控制模块设计

远程控制模块的设计主要是为了智能化的便捷操作。例如，学生在离窗较远的地方想要开窗，将无需起身，只要通过远程控制，将开窗指令通过物联网发送到控制窗户的舵机就可打开窗户。另外，灯光由物联网控制继电器来调节，窗帘由物联网控制电机来实现，还可根据需要任意加入其他设备。

2．4设备借用模块设计

开放实验室的管理工作中，必须正视的一个关键问题就是如何保障借出的设备不致丢失。为解决此问题，这里主要使用了射频识别技术，为每台设备中装入一个RFID标签，如此处理后，每台设备就相当于有了特定的“电子身份证”。借出时，利用学生一卡通认证后，即可将借用者信息记录下来，当设备归还后再将借用记录自动清除。全程无需人工记录，不仅省时省力，还不会出现环节记录错误。

3物联网网络层设计

MCU与Linux电脑之间通过串口协议建立交互，MCU将传感器的数据发送到Linux电脑，Linux端电脑通过如下指令开启http服务器:sudoserviceapache2start。网页服务器成功开启后，实验室监控数据可以到公网上，从而可为跨平台多终端设备提供访问。安卓、IOS等操作系统的设备只要打开浏览器，输入Linux电脑的IP地址，即可查看物联网实验室的实时数据。Http服务器采用TCP/IPv6协议，拥有一个128位全球唯一的IP地址，由于ipv4地址紧缺，大部分ipv4网络都使用了NAT技术，基于此内网设备就都没有独立的公网IP。本系统网络层采用ipv6突破内网封锁，不同网段的设备都可以通过这个全球唯一的ipv6地址访问到系统。物联网是本次研究设计的通信中枢，将远程节点的数据通过物联网控制接收，并将接收到的数据发送到MCU，MCU对数据进行处理和分析后再通过物联网送回远程节点，完成动作。简单来说，就是为远程节点和MCU搭建一个无线的通信桥梁。

4物联网应用层设计

过程中，由于该系统采用了Http服务器，因此也采用了超文本标记语言HTML5研发网页程序，并使用css编写网页前端，利用Javascript编写网页交互程序，最后通过Python脚本链接到Mysql数据库，记录整理并得到了网页运营日志。

5结束语

实验室是当今高校建设的重要组成部分，随着科学的进步，开放和智能已然成为日后实验室的发展方向。在前期的调研过程中，发现一些高校实验室的管理水平仍属初级，并且实验室资源浪费严重。针对这一现状，本次设计通过物联网与射频识别技术的联合使用，实现了开放实验室的智能管理，有效地解决了部分实验室存在的人员记录、仪器借用和改造布线难等问题，优势合理地利用了实验室资源，从而大幅提升了设备的利用率。

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作者：柳春晓；柴雷刚；杨旭；杨斐；吕宁；郑齐操 单位：天津职业技术师范大学