基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计

曲 娜, 盛桂珍, 杨海波

(1. 吉林建筑大学 城建学院, 吉林 长春 130111； 2. 北京精仪达盛科技有限公司, 北京 100089)

计算机技术应用

基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计

曲 娜1, 盛桂珍1, 杨海波2

(1. 吉林建筑大学 城建学院, 吉林 长春 130111； 2. 北京精仪达盛科技有限公司, 北京 100089)

设计了基于物联网技术的智慧型开放实验室管理系统。该系统集智能实验管理、远程管理、传感与视频联动及能源节约等功能优势于一体,采用统一的技术平台,实现校内开放实验室的数据共享,可以通过3G客户端、移动终端、PC端等来实现监控管理功能。智慧型开放实验室管理系统使实验教学改变了指定时间、指定地点、指定实验项目的传统模式,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。

智慧实验室； 物联网； 实验室管理系统

1 对智慧型开放实验室管理系统的需求

目前,我国已经拥有的一些比较成熟的实验室信息管理系统[1-2](laboratory information management system,LIMS)商业软件,如英普思软件有限责任公司研发的Inpro LIMS,北京中科科仪计算技术有限责任公司研发的SISc LIMS,北京汇博精瑞科技有限责任公司研发的LabBuilder LIMS等[3]。这些管理系统软件主要是面向公司应用的,适合在分析型实验室中应用；这些软件的功能模块一般是服务于操作流程的。有些LIMS商业软件看似内容丰富,在实际应用中却存在许多不合理或不便于使用的缺陷,有些产品只有“增”、“删”、“改”、“查”等基本功能,缺少统计和实验设备状态信息查询功能,不能充分满足高校实验室的教学和管理要求[4]。因此,基于高校实验室使用的管理信息系统还有很大的研究、探索的空间。

笔者根据高校实验室信息管理的实际需要,统筹学校资源,把学生信息管理功能、安防监控功能和设备管理功能等结合起来,开发出一套适合本校新校区管理需要的智慧开放实验室管理系统。该管理系统符合学校发展和创新人才培养的模式,体现了高能力、高素质的创新型人才培养思路和总体方向[5-6]。

2 智慧开放实验室管理系统的功能

(1) 预警功能。该系统不仅要实现视频资料的记录功能,还要有一定的预警功能,将视频信息与网络传送结合起来,在第一时间向相关管理人员发送短信和抓拍的图片信息。

(2) 远程控制。通过网络可以进行远程操作及控制,例如远程授权控制门禁系统、电源系统、灯光系统、设备系统等多种模块,方便进行管理和控制。

(3) 智能化管理。该系统可以通过服务端软件对系统进行多种智能化设置,例如电源在08:00—20:00可以通电,而在其他时间段不能通电；门禁系统只允许人在规定的时间内刷卡进入等多种智能化管理措施。

(4) 无线传输。前端的节点设备可以通过无线的方式与报警主机连接,避免施工过程中布线带来的麻烦。

(5) 适应各种网络。平台可适应局域网、广域网、3G移动网络、WiFi网络等多种网络集合。

(6) 适合多种操作方式和多种用户。可通过PC机、移动终端设备接入系统[7]。实验室管理人员可远程操作和控制实验室内相关电器设备；学生可远程查看实验室是否有空余位置以便安排实验和学习。视频监视系统可采集现场视频信息、查看机房环境状况,并将视频信息存储在服务器的硬盘中,供客户端调取、回放。

(7) 门禁考勤功能。采用13.56 MHz的RFID射频卡,学生可以刷卡开启实验室门禁,后台系统能自动获取刷卡人的身份信息和刷卡时间并进行考勤记录。排座系统能根据机房座位的情况自动分配学生的座位。

基于智慧物联网技术的开放实验室管理系统结构如图1所示。

图1 智慧开放实验室管理系统的结构

3 关键技术方法

3.1 ZigBee协议栈的升级与多种节点控制

物联网技术在智慧实验室节点的设计与开发主要包括以下方面。

(1) ZigBee实验箱智能取电节点。可以对安装有智能取电节点的实验箱远程授权,经授权后学生才可以操作此实验箱,防止在非授权的情况下操作实验箱,减少实验箱的损坏。管理人员可以在终端及时发现实验完成后未断电的实验箱并采取措施,有效避免实验室的电气安全事故。

(2) ZigBee火灾检测节点。采用离子式烟雾传感器,内含电离室,所用放射性元素镅241(Am241)的活度约2.96×104Bq。正常状态下处于电场的平衡状态,当烟尘进入电离室后会破坏这种平衡,报警电路检测到浓度超过设定的阈值时会发出报警。数据开发包支持C/S、B/S架构的VC++/C#/Java。

(3) ZigBee可燃气体检测节点。可燃气体探测器采用高品质传感器,微处理器结合精密温度传感器能够智能补偿气敏元件的漂移,环境适应范围宽,工作稳定,可检测天然气、液化石油气和煤气的浓度,支持C/S、B/S架构的VC++/C#/Java。

(4) ZigBee温/湿度采集节点。温/湿度传感器SHT11把传感元件和信号处理集成起来,输出的数字信号为全标定,具有高可靠性与长期稳定性。设计中所采用的温/湿度传感器将一个利用能隙材料制造的测温元件和一个电容性聚合体的测湿敏感元件结合在同一芯片上,与14位A/D转换器、串行接口电路连接。校准系数以程序形式储存在OTP内存中,在标定的过程中使用。

(5) ZigBee光照度采集节点。光照度传感器采用AVAGO公司的数字光照度传感器APDS-9300。APDS-9300是一款低电压数字环境光照光学传感器,可以将光照强度转换为数字信号并直接通过I2C接口输出。每个器件都配置了一个宽带光电二极管(外加红外线可见)和一个红外光电二极管。2个集成型ADC将光电二极管电流转换到数字输出接口时即对每个通道上的照射强度进行测量。这种数字输出信号可以被输入到微处理器中,采用经验公式将勒克斯照度(环境光照度)推导为近似人眼的视觉反应。

(6) ZigBee声光报警器节点。ZigBee声光报警器节点的作用是:当有传感器或图像识别设备检测到系统设定外的异常情况时,系统将发出高分贝的警笛声音,提醒用户和警示入侵者。

各个终端节点采集到数据后,通过ZigBee协议发送给数据采集协调器,协调器通过有线传输将信号送往Web服务器,最终可通过Internet、GPRS等网络进行远程控制系统路径实现双向通信。

3.2 嵌入式视频编解码的设计与实现

嵌入式视频监控系统具有视频采集、处理、存储、传输和控制等功能。该系统的设计分为3部分[8]:

(1) 嵌入式流媒体服务器设计,主要功能是完成视频采集、处理、存储及传输功能；

(2) 嵌入式Web服务器设计,主要处理监控端发来的请求并实现与浏览器的交互,为用户提供监控平台；

(3) 视频监控端设计,用户在客户端向嵌入式Web 服务器发出视频监控请求,通过CGI程序与嵌入式Web服务器进行交互,Web服务器接到请求后启动嵌入式流媒体服务器,将摄像头采集到的视频经过流媒体服务器处理后存储并传输到监控端,用户可以实时进行视频监控。

系统结构如图 2所示。

图2 视频监控结构图

3.3 网络结构和多种查看显示

(1) 服务端软件采用C/S网络结构,对基于网络的分布式视频数据集中管理与存储,具有强大的智能识别与智能分析处理功能,支持CMRTP协议。该软件支持64个NVS(embedded-network video system)点,具有视频存储、转发、传感数据传输、控制命令转发、报警信息处理等功能。

(2) PC机客户端视频查看与控制软件具有设备管理和在线设备显示、设备点未连接显示列表、四画面视频实时查看、报警信息与设备问题信息显示、视频录像检索与回放、设备日志管理、报警日志管理、操作日志管理、报警方式与显示设置、网络传输模式设置、控制命令发送与状态显示、传感数据显示、报警画面自动弹出等功能。

(3) PAD端视频查看与控制软件具有设备管理与在线设备显示、视频实时查看、报警信息与设备问题信息显示、视频录像检索与回放、报警日志管理、报警方式与显示设置,网络传输模式设置、控制命令发送与状态显示、传感数据显示、报警提醒等功能。

4 结束语

基于智慧物联网技术的开放实验室管理系统在开放服务、资源共享、便捷管理和节省人力资源等诸多方面具有重要意义,市场前景广阔[9-10]。该项技术可以进一步扩展到物联网智慧家庭、物联网智慧农业、物联网智慧商铺、物联网智慧工业等更多的应用领域[11-12],培养更多的物联网技术开发人才[13]。

References)

[1] 申书军.某高职院校实验室管理系统设计与实现[D].济南:山东大学,2013.

[2] 李君.实验室综合管理平台系统的设计与实现[D].青岛:中国海洋大学,2010.

[3] 蔡明山.高校实验室综合管理系统研究与设计[D].长沙:湖南大学,2003.

[4] 步春媛,徐大华.智能实验室监控系统的设计[J].实验技术与管理,2007,24(7):145-147.

[5] 杜月林.构建多层次全方位实验平台体系培养高素质创新型人才[J].实验室研究与探索,2013,32(3):202-204.

[6] 冯英忠,卢泽楷,李志光.地方高校实验室建设与创新人才培养的研究和实践:以广州大学为例[J].实验技术与管理,2012,29(11):26-28.

[7] 江雪梅,刘泉,张小梅.3G移动通信系统与物联网创新实验平台建设[J].实验技术与管理,2012,29(5):133-135.

[8] 杨念,李峰.基于B/S的嵌入式视频监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2008,29(21):5576-5579.

[9] 徐勇军,刘禹,王峰.物联网关键技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[10] 吕倩.基于云计算及物联网构建智慧校园[J].计算机科学,2011,38(增刊1):18-21,40.

[11] 吴巍,吴渭,骆连合.物联网与泛在网通信技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[12] 周洪波.物联网:技术应用标准和商业模式[M].北京:电子工业出版社,2011.

[13] 陆基孟,金波,徐京明,等.深化实验教学改革,加强能力培养:石油高校实验教学改革主要经验与体会[J].实验技术与管理,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,吉林长春,硕士,讲师,主要研究方向为电子技术应用.

E-mail：271672706@qq.com

TP393

A

1002-4956(2015)12- 0140- 03