基于Arduino的智能实验室管理系统

◆李晓茹 江河

基于Arduino的智能实验室管理系统

◆李晓茹 江河

（太原学院计算机科学与工程系 山西 030012）

目前，实验室管理已从传统方法转向物联网技术支持的自动化管理。本系统基于物联网技术设计实验室自动化管理系统，提出了安全的实验室访问原则，使用智能门禁和视频系统设计了一种经济高效的实现方案。实验表明，本系统识别身份速度快，准确率高，为实验室高效和安全的管理起到了积极作用。

物联网；Arduino；传感器；RFID；智能摄像头

随着我国高校的发展壮大，校园中的各种资产管理已成为一个亟待解决的问题。其中实验室的管理尤为重要，首先实验室的资产众多，价格不菲，其次实验室往往存在着很多安全隐患[1]。当前实验室管理存在很多问题，例如当实验室的人数达到或超过可控的阈值时，实验室管理人员就会出现顾此失彼的情况，难以达到管理的效果。随之而来的是实验室管理混乱，学生进出随意，实验仪器损坏、丢失、缺少等问题[2-3]。物联网技术是解决以上这些问题的一种合理选择，物联网的智能设备可用于替代某些传统设备，子系统设备之间可以方便相互连接。当实验室管理自动化时，各方面的管理都将精确化，不仅可以减少人力，还能节约资源。

1 实验室管理系统

随着物联网技术的出现，建立起科学精确管理系统的需求愈发凸显[4]。物联网技术旨在以智能和有效的方式改善用户与设备的交互。我们提出了智能实验室管理系统的概念，采用了最先进的物联网技术，分步提供安全认证，以提高安全性。这种身份验证包括授予/撤销访问权限和确认进入实验室的访问者身份。系统使用Arduino作为基础平台进行开发，开发理念是通过智能门禁实现安全实验室访问。

学生想要进入实验室，必须持有实验室专用的RFID卡，一旦刷卡，系统就会通过手机以即时通知的方式向系统管理员发出提醒信息，让管理员无论在哪里都能知道有学生想要进入实验室。学生是否可以进入实验室，智能门禁会按照系统规则来进行决策。当学生进入实验室之后，系统连同图像和进入记录一起存储在数据库中，供以后使用。

2 相关技术

Arduino是一系列基于小型微控制器的廉价计算板卡，可以轻松互连并以适当的所需配置组合，目前在全球移动市场中占有很大份额，因此作为我们的首选。Arduino可以执行实验室管理所需的所有功能，与PC平台相比具有价格低，功耗低，可靠性高，良好的连接性和有限的数据处理性能[5]。

Arduino作为基本设备，其中包含了系统的多个组件，还可以与智能摄像头模块连接，该摄像头模块将用于捕获图像，并装有像运动检测器一样的传感器，以检测合法用户或者入侵者的活动，如果发生未经授权的进入，系统将触发警报[6]。

3 智能实验室管理需求分析

分析阶段应确定实验管理的可行性和通用模型。通用模型是分析阶段的输出，也是下一个设计阶段的输入。此阶段的任务是提供未来实验室管理的逻辑结构和物理结构。需求分析需要对现有平台进行综述，以作为实验室管理实施的对象，并根据所需的性能，计算能力，开发条件和其他因素，在要求高和限制性强的情况下，选择一个平台组合作为解决方案[7]。实现实验室管理的主要条件是：

● 可以在不受时间和距离限制的情况下使用；

● 智能实验室管理的建设和运行成本必须尽可能低；

● 实验室管理必须有避免错误使用的控制；

● 实时监控，可随时随地通过互联网访问；

● 功能强大且用户友好的界面；

● 完整的数据捕获，归档和检索解决方案；

● 高度可靠，准确，实时的数据系统。

为了实现这些目标，智能实验室的研究重点是：为通信系统、视频捕捉、传感器组和用户界面的物联网，研究，设计，开发和测试创造环境[8]。为此，智能实验室配备了智能摄像头，用于监视环境参数的传感器以及将获取的信息传递到服务器所必需的通信基础结构的设备，系统结构如图1所示。

图1 智能实验室管理系统架构图

4 智能实验室管理系统分层结构

智能实验室管理系统的核心设备是Arduino平台，该平台可以连接种类众多的其他设备，例如：LED，摄像头，传感器等。此外，源代码的编译，加载和执行均由Arduino板运行。它还具有可连接到互联网的Wi-Fi芯片，WI-FI信号具有更好的稳定性，这一点对于增加用户体验至关重要。另外，管理系统中添加了一个物联网摄像头，以便管理员可以直观地观察学生行为。

智能实验室管理系统有三层体系结构，由感知层、数据层和应用层组成。感知层位于体系结构的最底层，负责实验室管理信息的收集，其组成包括用于收集环境数据和实验仪器相关数据的各种传感器，例如温湿度传感器，烟雾传感器，有害气体传感器等。数据层支持感知层与应用层之间的通信。应用层主要是按照客户要求提供管理所需的信息，如图2所示。

图2 智能实验室管理系统分层结构

4.1 感知层设计

感知层中传感器节点到网关和消息服务器的数据传输取决于应用程序需求。它可以是连续的，事件驱动的，查询驱动的或混合的应用程序。数据以连续的方式在预定的时间间隔内定期发送到网关。而事件驱动，仅在发生紧急事件时才进行传输。感知层中存在的Wi-Fi模块通过互联网、消息传递服务器将数据作为文本消息发送到数据层中的数据服务器，数据服务器接收数据并对其进行处理。然后，它将传感器数据填充到数据库中，从而使应用程序可以访问传感器数据。服务器包含各种服务，用户可以根据应用程序需求进行订阅。

感知层包括温湿度传感器，烟雾传感器，有害气体传感器等。为了处理板级通信，使用了具有AT MEGA328的板控制器Arduino。该板级控制器单元的主要目的是维持不同传感器模块之间的接口，并通过控制调制解调器将处理后的数据传输到通信级控制器模块。

4.2 数据层的设计

数据层用作消息传递服务，通过无线网从物理层接收数据。数据层还负责在预定义时间内发送连续数据，在发生非常规事件时生成警报，并处理接收的查询请求。数据层通过消息传递服务器的协调，其处理从感知层收集的信息，并将它们存储在数据库中以提供从应用程序层请求的数据，而应用程序层则配备了支持用户各种服务的接口。

4.3 应用层的设计

应用层为用户提供图形用户界面（GUI），其中包括订阅服务，即时消息服务，警报服务，报告生成服务和API服务，该服务注册用户以接收定期更新，订阅者的每日更新以推送消息服务的形式提供。即时消息服务由消息传递服务器直接处理。警报服务是指在某些超出阈值的情况下向所有订阅的用户提供警报消息，生成服务用于生成自定义报告。

实验室中有各种信息数据，包括工具/仪器，设备，材料，基础设施的数据清单，访问数据或实验室使用，预订，安排的数据等。用户和管理员应该能够尽可能容易地，随时随地访问信息，而不受距离和时间的限制，应用层的设计和开发如图3所示。

图3 应用层的设计和开发

5 结论

物联网通过设备到设备的直接交互来减少人为介入。本研究利用物联网技术，提出了一种解决传统实验室管理方式局限性的智能实验室管理系统，我们通过构建更强大的基础架构来解决实验室设备管理和能源消耗的问题。在用户反馈的基础上，我们对系统的可用性和可靠性进行调查，提高系统的性能。通过实际验证，系统在实验室管理自动化和成本效益方面具有重要意义。在未来的工作中，我们希望加入语音助手实现实验室管理双向智能音频通信。

[1]骆方舟.基于物联网技术的化学实验室安全监控系统设计与实现[J].长春工程学院学报：自然科学版，2018，19（4）：114-118.

[2]李郁峰，高小明. 基于网络的低成本实验室门禁管理系统[J].实验室研究与探索，2010，29（6）：169-171.

[3]李新伟.智能家家居监测与控制终端的研究与设计[D].济南：山东大学，2009.

[4]吴丽娟，曾石峭，成莲，等.基于物联网平台的食品实验室温度监测系统[J].自动化与信息工程，2018，39（3）：40-44.

[5]慧渊．基于物联网技术的智能实验室的研究与实现[D] .杭州：杭州电子科技大学，2014.

[6]邱鹏瑞.基于Android与Arduino的高校实验室环境监测系统研究[J].云南民族大学学报(自然科学版)，2018，27(5）：422-425.

[7]崔乔.基于Arduino开发板的建筑智能监测控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2018(4)：74-78.

[8]李想，马广焜，高偲程，等.基于云服务器与Arduino的GPS定位系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18(5）：28-31.