基于多传感器的实训室智能管理系统的设计与实现

孙克争1，汤丽娟1，梁龙兵2

（1.江苏商贸职业学院，江苏南通 226000；2.中国矿业大学信息与电气学院，江苏徐州 221008）

基于多传感器的实训室智能管理系统的设计与实现

孙克争1，汤丽娟1，梁龙兵2

（1.江苏商贸职业学院，江苏南通 226000；2.中国矿业大学信息与电气学院，江苏徐州 221008）

针对应用化学、冷链仓储、电工电子、报关模拟等专业实训室的工作特点和工作要求，设计开发了一套基于Android平台的实训室智能管理控制系统；介绍了系统的组成与工作原理、软件开发与硬件设计方案；基于Android平台的实训室智能控制系统实现了实训室及设备的智能控制，为实训室设备管理、人员管理和教学管理提供了方便，并为实训室的安全提供保障，提高了设备的使用效率。

智能实训室；多传感器；实训室管理；网关

1 实训室智能管理系统的总体设计

基于Android平台的实训室智能管理系统主要由手机终端、服务器、网关和被控设备组成。以手机为终端控制设备，通过网络登录实训室智能管理系统，远程控制实训室的设备及查看实训室的使用情况。整个系统的主控芯片是STM32F107［3］，其他模块分为传感器模块，继电器开关模块，外扩模块，无线收发模块以及服务器模块，其中传感器模块包括光敏传感器模块、温度传感器模块、湿度传感器模块等，外扩模块包括频率外扩和电流外扩。系统运作框图如图1所示。各传感器采集各种数据由STM32（1）模块接收和处理后，将结果发送给无线收发模块（1），无线收发模块（1）将数据传送给无线收发模块（2），再由无线收发模块（2）将数据传送至STM32（2）模块，数据经过STM32（2）模块处理后，通过RS232串口上传至服务器。

图1 系统框图

2 实训室智能管理系统的硬件电路部分的设计与实现

2.1 主控模块

主控模块是整个系统硬件电路部分的核心，作为实训室特定的应用场景，需要提供高性能、低成本、低功耗并且能够在外围电路增加一些电平转换，为实训室所配置的传感器的输出提供丰富的接口，满足各类传感器的需求。基于此，本系统选用的STM32F107芯片作为处理器［3］。该模块的主要功能有两方面，一方面是负责处理各传感器输入的各种数据并且通过收发模块传送出去，另一方面是接收传送过来的数据并且处理后上传至服务器，同时也具有往外发送数据的功能。为了满足实训室智能管理系统的可扩展性需求，本设计在主控芯片中预留了十几个接口以满足不同传感器可以接入系统实现更多功能。STM32F107具体原理如图2所示。

图2 STM32F107原理图

2.2 继电器控制开关模块

实训室的安全管理是所有教学和科研工作正常进行的基本保障。当有突发情况发生时，能够及时控制实训室的电闸及开关设备尤为重要。本模块旨在实现对实训室电闸以及相应开关设备的智能控制，利用继电器的收发来实现电闸的开闭，从而实现对整个实训室电力系统电闸及开关设备的控制。结合实训室的具体情况，本模块采用STM32F107芯片［3］，通过PA5端口电压的有无来实现。当STM32F107的给PA5端“1”的时候，三极管Q1导通，继电器形成通路，开关闭合即电闸闭合，给PA5端“0”的时候，三极管截止，继电器电路不通，开关断开，即电闸断开，具体的电路原理如图3所示。

2.3 光敏传感器模块

化学实训室、物联网农业等实训室对光照要求比较高，普通实训室在无人使用的时候，实训室的灯是否关闭等都对实训室管理人员提出了要求。鉴于此本系统配置光敏传感器，用来判断对光照要求比较高的实训室的光照情况以及普通实训室的灯是否在没人的时候，处于关闭的状态。本模块采用的主控芯片是LM358［4］，根据光照的强弱，通过前期数据测量，在系统中实现判断光照强弱及实训室几盏灯开着的情况，结合继电器模块通过继电器来控制开关的开闭。具体原理如图4所示。

2.4 湿度传感器模块

本模块可实现对实训室室内湿度的采集，以确保实训室不会因为空气湿度出现安全问题，同时保障实训室湿度始终处在人和设备舒适的范围内。本模块采用新一代的数字温湿度传感器的高端型号SHT25［5］主控芯片，是数字湿度传感器尺寸最小的湿度传感器，芯片数据采集及传输是通过IIC总线实现，可满足多种条件应用。与标准型号相比，SHT25能保证更高的精度（湿度1.8%，0.2°C典型值），是一款新型设计的精密传感器芯片。具体电路如图5所示。

2.5 温度传感器模块

本模块有两个作用：一个是实现对实训室内温度实时显示；另一个是可以用来判断实训室的窗户是否处于关闭的状态，具体实现过程是在每个窗口安装一个温度传感器，同时远离出口的位置也安装一个温度传感器，当有窗户打开是，此窗户附近的传感器得到的温度和其他关闭窗户附近的以及远离窗户传感器温度值不一样，为实训室管理人员提供依据。本模块采用的主控芯片是DS18B20［6］，具体实现的电路如图6所示。

2.6 无线收发模块

该模块是实现实训室智能控制的重要组成部分，用以实现各种数据的无线收发，本模块采用的主控芯片是nRF401芯片［7］，是一个为433 MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。nRF401芯片采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20 K发射功率，可以调整最大发射功率是＋10 dBm，具体的实现电路如图7所示。

2.7 频率电流扩展模块

该模块作为系统的扩展模块，为以后系统的升级和实训室后加传感器预留接口，现在市场上的主流传感器输出多是电流或频率。当实训室需要增加新的功能传感器时，只需要将相应的传感器接在扩展的接口上，再通过软件程序实现，而不用更换设备，或者重新布局，增强了系统的稳定性和可扩展性。频率预留接口原理如图8所示，电流预留接口的原理如图9所示。

图3 继电器控制原理图

图4 光敏传感器原理图

图5 湿度传感器原理图

图6 温度传感器原理图

图7 无线收发模块

图8 频率预留接口原理图

图9 电流预留接口原理图

3 系统软件设计

基于Android的实训室智能管理系统的设计，采用了模块化的设计思路，即用户视图模块、网络通信模块以及日志管理模块［10］，为便于人机交互和设置参数，视图模块采用了简洁美观的界面。用户通过手机终端登录实训室管理系统，查询实训室温度、湿度、窗户、灯、开关等实时数据，也可以通过参数设置对设备进行控制，以此来实现对实训室的智能控制。具体工作运行流程如图10所示。

3.1 手机客户端设计

客户端设计采用Eclipse和Android SDK包搭建开发平台，使用Java编程语言来开发客户端应用程序［8］。手机客户端采用基于TCP／IP的Socket通信机制与服务器进行通信［9］。首先手机客户端通过4G／3G／2G、WIFI、GPRS等网络接入Internet，获得唯一IP地址，然后启动Socket监听与服务器端通信的端口。部分实现代码如下：

／／创建一个流套接字并将其连接到服务器的指定端口

socket＝newSocket（IP_ADDR，PORT）；

／／读取服务器端数据

DataInputStream input＝new DataInputStream（socket.getInput-Stream（））；

／／向服务器端发送数据

DataOutputStream out＝new DataOutputStream（socket.get OutputStream（））；

图10 系统功能实现图

3.2 服务器端设计

设备端采用Android提供的消息分发机制，将从网关返回的消息分发到各个页面，更新设备的当前状态，给终端用户显示。系统先启动服务器端，用来一直监听客户端端口是否有连接请求，服务端监听到请求后向客户端发回接受消息，建立连接，启动一个线程去处理这次请求，然后继续监听其他终端客户的请求。部分实现代码如下：

Android SDK中的View类代表了一个空白的矩形区域，而所有的UI组件（例如文本框组件、按钮组件、图片浏览组件等）都继承了View类，可以使用View类的属性和方法［11］。

服务器端接收到客户端的请求后，根据数据包格式（＃control|编号|控制）中的＃control字符判别发送操作设备信息，然后将数据包信息分离后经过串口调试助手发送到串口［12］。部分实现代码：

3.3 系统的运行界面及分析

手机终端通过用户名和密码登录实训室智能管理系统，进入管理系统主界面，进行相应的实训室控制与管理，系统运行的部分界面如图11所示。

图11 系统运行界面

该系统能够通过系统的设备控制界面实现对实验室设备的远程控制与管理，如设备管理模块可以将设备编号，实训基地编号，部门编号添加至系统，每个设备的参数配置根据每门实训课程的要求进行设置，设置完成后通过系统向远程服务器端发送命令，从而实现对设备的开，关，延时开关等。同时可以通过系统设置的传感器返回的参数，来调整整个实训室的环境，从而可以实现对实训室智能化管理。

4 结束语

基于多传感器设计并实现了一种Android平台的实训室智能管理系统，介绍了系统的总体框架、硬件与软件的设计与实现。实际运行结果表明，用户使用终端设备可以远程实现对实训室及设备的远程控制和管理，为实训室设备管理和教学管理人员提供了方便，并为实训室的安全提供保障，提高了设备的使用效率。

［1］国务院.国务院关于加快发展现代职业教育的决定［EB／OL］.（2014-5-13）［2016-07-02］.http：／／www.moe.edu.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／moe_1778／201406／170691.html.

［2］高 远，李益民，秦永法，等.职业教育师范生专业技术实践能力培养体系的构建［J］.实验技术与管理，2015，32（12）：173 -176.

［3］STM32F107数据手册［EB／OL］.［2016-09］.http：／／www.st.com／st－web－ui／static／active／en／resource／technical／document／datasheet／CD00220364.pdf

［4］LM358数据手册［EB／OL］.［2012-05-23］.http：／／www.ti.com.cn／cn／lit／ds／symlink／lm358.pdf

［5］SHT25数据手册［EB／OL］.［2016-07-09］.http：／／product.dzsc.com／product／infomation／357507／20130301035503375.html

［6］DS18B20数据手册 ［2010-08-21］.http：／／wenku.baidu.com／link？url

［7］Chen Y，Liu Z Y，Distributed Intelligent City Street Lamp Monitoring and Control SystemBased onWireless Communication chip nRF401 ［A］.International Conference on Networks Security，Wireless Communications and Trusted Computing［C］.2009：278-281.

［8］郭宏志.Android应用开发详解［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［9］罗军舟.TCP／IP协议及网络编程技术［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［10］徐 峰，基于Android平台的智能家居客户端系统的设计与实现［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［11］李东炜，刘镇章.基于Android智能手机的实训室预约系统设计［J］.实训技术与管理，2012，29（12）：196-202.

［12］唐 璐，田传耕，祖茂衡，等.基于Android的实训设备远程控制系统设计［J］.实训技术与管理，2015，32（5）：149-152.

Design and Implementation of Smart Laboratory Management System Based on Multi Sensors

Sun Kezheng1，Tang Lijuan1，Liang Longbing2

（1.Jiangsu Vocational College of Business，Nantong 226011，China；2.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology Xuzhou 221116，China）

Considering the requirements and features of the experimental equipment of the Internet of Things（Io T）、Mobile Internet、electrical and electronical，a suite smart manage and control system of the laboratory is designed based on Android.We introduce the principle and components of the system，system software and hardware design scheme and implementation.The intelligent control system based on Android platform provides the control of laboratory and equipment as well as improves the efficiency of utilizing and managing equipment.It also provides convenience for laboratory equipment management，personnel management and teaching management personnel and improves the laboratory safety and security.

smart laboratory；multi sensors；laboratory management；gateway

1671-4598（2016）08-0286-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.078

：TN713

：A

0 引言

2016-03-08；

：2016-03-25。

国家自然科学基金（51504214）；国家自然科学基金（51204186）；南通市科技计划项目（BK2014022）。

孙克争（1983-），男，江苏连云港人，硕士，讲师，主要从事软件设计、信息安全和图像处理方向的研究。

职业教育被提升为国民教育体系的重要组成部分，是促进经济、社会发展和劳动力就业的重要途径。国务院在《关于加快发展现代职业教育的决定》中提出：要加快构建现代职教体系，提高人才培养质量［1］。职业院校是培养专业应用型、技能型人才的主要基地［2］，人才培养目标有别于高等教育，因此在整个人才培养方案中注重学生实践能力的培养，加大了实践性课程的比重。为培养高质量的技术技能型人才，江苏商贸职业学院成立了应用化学、冷链仓储、报关模拟、物联网和电工电子等实训基地群，近80个校内外实训室，配备了先进的实训材料、仪器仪表、及大型实训平台，其中有些实训室的设备是通480 V强电压，有的实训室对温湿度有要求，还有些实训室设备是需要提前进行配置的，这给实训室管理提出了更高的要求。因此，设计与开发实训室智能管理系统是非常有意义的。