基于物联网的智能实验室预订系统

张鑫 天津工业大学电子与信息工程学院

基于物联网的智能实验室预订系统

张鑫 天津工业大学电子与信息工程学院

当前已经构建了智能用电系统，传统插座问题日益凸出，为了有效解决这一问题，提出了基于物联网的智能插座设计。下面通过在校园的实际项目，分析整体架构设计，其中包括智能插座各主要模块以及前后端的设计思路。

物联网 智能插座 设计思路

随着人工智能概念的不断推进，对智能设备的要求越来越高，同时也带来了诸多问题，如电量的控制，智能化的体验，我们以实验室为基础环境，提供一整套的智能化预订和使用设备的解决方案，在监控用电状况的同时，实现设备的自动开关，完善的交互模式。

1 整体架构设计

对于此次校园内智能预订系统而言，其功能包括对仪器设备的控制、电量数据分析、用户数据采集等，因此进行其整体架构设计时，分别包括微信公众号、无线智能插座、后台管理网站。学生或者老师，可以通过微信公众号选定想要使用的设备，以及设备使用的时间，然后通过设备负责人确认后，方可使用，流程如图1所示：

图1 智能实验室设备预订流程

此设计以微信为基础，无需下载app，扫码后，服务器校验用户和设备信息，下发指令，打开智能插座，再预定时间到达前20分钟，微信和设备同时提醒用户做好下机准备。含记忆性的设备，会同时提醒管理员，并且智能插座会延迟计算功率差值，确认在合理范围内再断电。

2 物联网的智能插座设计

2.1 智能插座模块的设计

此 次 设 计 使 用 的 是ESP-12DIP、STM32F103C8T6、ACS712，分别用于无线通信、主控处理以及电流检测。对于设计电源模块时，应用了开关电源电路，工作效率得到提升，工作稳定性得到提高。WIFI模块电源管理，如果WIFI死机，没有反应等，通过SI2301断电，使WIFI模块重新开机，如图2所示。

在整体的解决方案当中，我们采用了前后端分离的思想。将硬件设计电路，完全分离出来，作为一个独立的整体进行开发。并将所有的功能，例如，控制开关、获取电量信息、等，做成标准化接口。以方便外部设备调用。这种设计方案有助于我们，将技术问题的解决方案，与场景的解决方案分离，如图3所示

图2 wifi模块

图3 接口设计说明

2.2 微信公众号预订设计

目前微信的人数基数已经超过QQ的人数基数，腾讯也开放了众多的接口以及支付功能，方便我们开发自主业务；几乎每个人的手机中都有微信，同时也降低了我们的推广运营的成本，据统计，使用微信的用户年龄在20-40岁之间，刚好是我们的用户年龄段。目前用户有两种预订方式：一是关注我们的公众号，通过3*5菜单进入预订主页；二是直接扫描设备上面的二维码进入。根据学校实际需求，此系统对用户和设备均进行了分类和权限的设定，从而保证实验室使用的合理性。同时我们对部分页面做了埋点，用于采集用户的行为数据，通过用户浏览页面的顺序、频次、间隔时间，来判断功能和逻辑是否需要调整。在用户完成预订、上机、下机等关键性操作时，微信会同步推送消息给相关人员，以便管理时间和设备，所有数据均保存到云端服务器，并对所有通信接口进行加密处理，保障数据安全，真正实现无人看守管理，用户随来随走无需签到。

2.3 后台管理系统设计

后台管理网站使用php语言进行开发，用于管理实验室设备信息，分配用户和设备等分类以及权限，与前端使用同一服务器，快速查看用户使用设备的时间、地点、设备用点状况、频次等诸多信息，我们单独制作了特定的页面，用于显示相关数据的曲线图，同时也可以excel的形式导出想要的数据，如图4所示。

图4 上线7日内用户行为数据

2.4 服务器设计

此项目采用阿里云服务器，配置Linux系统，nignx代理，使用redis缓存＋mysql数据库，以及PHP语言环境，使用nignx配置http和https双重代理，保证服务器访问的安全性以及后期的可扩展性，使用消息队列，防止出现高并发时的数据存储和查询异常，减少请求响应时间和解耦；对对外链接，nginx做了防盗链措施，防止通过技术手段获得它人服务器上的资源地址，绕过别人的资源展示页面，直接在自己的页面上向最终用户提供此内容的现象；与此同时我们将数据库做了主从分离，将读操作和写操作分离到不同的数据库上，避免主服务器出现性能瓶颈，主服务器进行写操作时，不影响查询应用服务器的查询性能，降低阻塞，提高并发，数据拥有多个容灾副本，提高数据安全性，同时当主服务器故障时，可立即切换到其他服务器，提高系统可用性。

3 总结

随着物联网和人工智能的不断发展，各行业对智能硬件的需求将会与日俱增，我们也同样相信，智能校园的概念也会在不久的将来会被全世界所接受，物联网已经进入了高速发展期，灵活多变的应用场景必将迎来更多的挑战。

[1]金逸超，孙力娟，王汝传，等.物联网环境下智能插座的设计[J].计算机研究与发展，2010，47(s2):321-326.

[2]李伟，李一真，王志梁，等.基于物联网技术的智能插座设计与实现[J].山东电力技术，2015，42(06):55-58.

[3]李佳泽，王长忠.基于属性约简的应用服务器优化算法改进[J].计算机测量与控制，2017，25(05):255-257+269.