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摘要：針對目前實驗室由人工管理而引起的低利用率以及存在安全隱患等問題，設計并實現了一種基于物聯網感知的智能實驗室控制系統。為了實驗室管理員能在移動端隨時了解實驗室的相關環境狀態并對實驗室設備進行遠程操控，本課題構建了基于物聯網感知的實驗室控制系統，包含環境檢測、后臺管理系統和門禁設置三大模塊。結合傳感器技術、RFID技術、物聯網網關技術和WiFi技術等，系統可以在環境監測模塊對實驗室的環境參數進行實時的監測、采集和分析處理，在服務器端可以控制實驗室照明的開關等，實現了物聯網實驗室的智能化、可控化，且集成化程度較高。本系統能夠有效利用實驗室資源，實現人力資源的節省和合理分配，改善實驗室環境，且在一定程度上減少能源的消耗，對科研人員研究效率和實驗室利用率的提高以及我國科研事業的發展起到了積極的作用。
關鍵詞：智能實驗室；智能控制；物聯網感知；監測；智能化；可控化
0引言
以往傳統實驗室需要人工管理和操作，并且缺乏一套完整的管理制度與整體規劃。隨著科研人員實驗需求的不斷增加，傳統實驗室可能會對實驗工作產生一定的制約，相關信息的滯后、管理效率相對較低的問題也就隨之而來。如果全部依靠人工來管理實驗室，那么在實驗室的設備使用情況、實驗室的安全保障管理、人員的參與程度與實驗室的開放程度等方面都會耗費很大的精力[1-8]。國家對于教育事業與科研事業的重視程度逐漸加大，信息技術的發展也為實驗室智能化提供了強大的動力與支持，逐漸形成了“物聯網實驗室”這一新興的實驗室模式。“物聯網實驗室”將傳感器技術、物聯網網關技術、通信技術、無線傳感網絡技術等發展迅速的信息技術相結合，在這種實驗室運行模式下，實驗室中傳感器可以實時采集實驗室環境數據，這些數據通過物聯網網關上傳，服務器對接收的數據進行分析、處理、保存，實驗室管理員可以直觀地看到實驗室的環境數據[9-12]。在這樣的管理方式下實驗室管理員可以根據數據來判斷是否需要進行一些必要的操作，如果需要對實驗室相關設備進行操作，就可以直接通過服務器端進行遠程操控，同時可以控制相關設備進行自動調節，實現了實驗室環境的可視化與操作遠程可控化。這樣的工作模式對于實驗室管理與建設都有著十分重要的意義。實驗室的智能化能夠使實驗室的環境得到很好的改善，更加有利于實驗人員進行實驗研究，從而提高實驗的效率。在一定程度上也能夠減少能耗，提高環保效果[13-15]。本課題構建的基于物聯網感知的智能實驗室控制系統，將傳感器、無線數據傳輸、WiFi等技術與實驗室相關設備相結合，采集實驗室中的環境參數，例如溫度、濕度、煙霧濃度等信息，連接到WiFi的傳感器將數據發送到手機端APP，服務器端對上傳的數據進行接收和存儲，以直觀的方式展示給實驗室管理員，實驗室管理員能夠實時看到實驗室內環境參數，并控制實驗室設備。學生在進入實驗室之前需要進行門禁刷卡；在工作的狀態下可以對煙霧濃度的數據進行分析，存在危險因素時可以及時報警。在這樣的模式下，能夠提高實驗室管理員的管理效率，減輕管理員的管理壓力；也能夠在加大實驗室開放程度的同時保障安全。
1系統整體框架
1.1硬件框架
本次系統的硬件部分可以分為6個模塊，分別是為各個工作模塊進行供電的供電模塊、能夠實時采集實驗室環境數據的傳感器模塊、收集數據并向服務器端發送數據的網關模塊、數據顯示模塊、報警模塊以及門禁模塊。硬件框架的模塊如圖1所示。
1.2服務器框架
網關模塊作為智能實驗室控制系統硬件的一部分，可以通過無線通信技術中的WiFi技術連接網絡，然后將傳感器采集的實驗室環境的實時數據上傳到服務器中，服務器端有相對應的顯示界面，實驗室管理員可以在顯示界面中看到相關的參數數據，并能夠在界面控制燈光的開關，實現了對實驗室環境參數的實時查看。服務器框架流程如圖2所示。
2系統設計
2.1環境監測
本課題實現的基于物聯網感知的智能實驗室控制系統，需要將傳感器采集到的相關數據上傳到服務器頁面，讓實驗室管理員能夠直觀地對實驗室進行監測。在學生或者實驗人員進入實驗室之前，本人可以使用身份識別卡進行刷卡，解開門禁后進入實驗室。這樣就可以提高實驗室的使用效率與開放程度，實驗人員可以在需要的時候自由進入實驗室，不用等待實驗室管理員的到來。在手機移動端有一個服務器用來接收與存儲傳感器所傳輸的相關數據，并且能夠保存；實驗室管理員能夠在手機端的頁面中隨時查看實驗室的相關數據。具體技術路線如圖3所示。本次研究課題實現的智能實驗室控制系統的硬件框架模塊的功能如下：（1）供電模塊：給開發板以及系統中工作的各傳感器提供電力支持，使用數據線直接連接電源進行工作，工作電壓為5V。（2）傳感器模塊：實時采集實驗室環境相關數據，包括空氣溫濕度傳感器、煙霧傳感器。（3）顯示模塊：將傳感器所采集到的數據在OLED屏幕顯示。（4）WiFi模塊：為設備與移動端的連接提供支持。（5）報警模塊：采用蜂鳴器對于相關數據參數進行監測報警。（6）門禁模塊：進入實驗室前需要進行刷卡，經過身份識別后進入實驗室。
2.2服務器系統功能設計
服務器系統功能相對比較全面。本課題要實現對實驗室相關數據的顯示；對實驗室溫濕度、煙霧濃度的監測；對煙霧濃度超過閾值的報警；對采用門禁卡打開門禁等模塊的相關設計。服務器系統功能模塊如圖4所示。
3系統實現
3.1系統硬件搭建流程
3.1.1搭建外部環境
將模型整體、傳感器和開發板等通過串口與電腦連接在一起，準備設置開發板需要連接的WLAN以及程序的燒寫。
3.1.2配置開發板的WLAN熱點
在連接完成后，配置開發板的WLAN，設置開發板需要連接的無線局域網或者手機熱點。
3.1.3通過串口燒寫程序
將硬件設備與電腦連接完成后，在電腦端通過串口將已經編寫好的程序燒錄進開發板，同時觀察開發板的響應情況。
3.2系統服務器登錄
實驗室管理員可以在手機端通過輸入賬號、密碼、驗證碼登錄服務器，查看實驗室相關數據。服務器登錄頁面如圖5所示。
3.3手機移動端主要功能
手機移動端的主要功能是對相關傳感器所采集并上傳的數據進行接收、分析、存儲，在服務器界面向實驗室管理員顯示相關數據，同時還能控制實驗室內燈光的開關。
3.3.1數據收集功能
在手機移動端APP頁面，服務器可以對傳感器采集的數據進行收集、分析、整合和存儲。
3.3.2展示功能
實驗室管理員可以在手機端APP界面中實時查看實驗室環境相關的數據。
4服務器端管理與控制
4.1開關控制
以燈光開關控制為例，在服務器頁面點擊“ON”按鈕開啟照明。照明系統開啟過程如圖6所示。照明系統開啟后硬件設備系統上的照明提示燈亮起。
4.2系統服務器界面運行成果
系統服務器界面整體運行效果如圖7所示。圖中顯示了智能實驗室控制系統實時采集的室內環境參數數據，如溫度、濕度、煙霧濃度以及系統整體電壓等相關數據。
5結語
本文在傳統實驗室建設與使用的基礎上提出一種基于傳感器技術、WiFi技術、物聯網網關技術的實驗室管理與控制系統。針對實驗室管理員在管理過程中耗費過多精力、實驗室環境對研究人員的影響等問題，設計出智能化的系統解決方案，使實驗室管理員能夠在移動端隨時了解實驗室的相關環境狀態，并對實驗室內一些設備進行遠程操控。在這樣的管理模式下可以減輕實驗室管理員的壓力，節省一定的精力，實現實驗室的智能化、信息化、可控化，為研究人員提供強有力的保障與服務；還能夠加大實驗室的開放程度，提高安全保障以及研究人員使用實驗室的效率。
作者：李雨鑫 解迎剛 孫錦 李昊達 崔英花 單位：北京信息科技大學 信息與通信工程學院
