基于多网融合的智能实验室系统设计

（宁波城市职业技术学院 信息与智能工程学院，浙江 宁波 315100）

0 引 言

近年来，随着人工智能、物联网、云计算等高新技术的快速发展，智慧校园已成为高校信息化建设必不可少的重要组成部分，智慧校园致力于实现高效、智能、环保、安全的校园，为师生提供便捷的学习工作环境[1]。实验室作为高校教学科研的实践基地，是高校展示教学科研实力的排头兵，实验室信息智能化建设直接影响智慧校园建设成效[2]。然而在高校实验室建设过程中，过度追求实验设备性能，将大量的建设经费用于提高实验设备中，却往往容易忽略实验室整体的信息智能化建设。其管理模式仍采用传统的人工管理方式，即一位实验室管理人员负责7～10个实验室的日常管理，这种管理方式容易造成实验室能源浪费、存在安全管理漏洞、设备维修不及时等问题，其后果将直接影响实验室安全以及科研教学效果，为此将物联网技术应用于实验室信息智能化改造，可有效解决当前面临的问题。

物联网是指通过各种传感器、频射装置、无线有线通信技术等，将环境信息以数字化形式接入互联网，并利用云计算、人工智能等技术实现物体与物体之间智能化控制，提高人类管理效率，改善生产生活质量[3]。将物联网技术应用于智慧校园建设已是炙手可热的话题，王克平等提出一种基于物联网、互联网、网络空间、大数据、智慧运行的智慧校园概念模型[4]，通过不同用户层面分析高校智慧校园体系架构，对智慧校园建设具有较好的借鉴意义。在此基础上，周春月等从感知层、网络层、综合应用层三个层次构造智慧实验室架构模型[5]，有效地解决实验室设备管理、安全、环境等问题。因此本文以该模型为基础，提出一种多网融合的智能实验室系统，将ZigBee无线网络和NB-IoT无线广域网相融合应用于实验室建设中，确保实验室物联网监测系统能够平稳高效运行，以解决当前实验室所面临的问题，优化实验室管理模式，及时发现设备故障和实验室险情，让智能实验室成为智慧校园建设过程中不可或缺的一部分[6-7]。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

基于多网融合的智能实验室系统由传感层、网络层、应用层三部分组成，如图1所示。传感层主要包含环境监测节点组、能源监测节点、安防监测节点组以及执行节点组。环境检测节点主要检测实验室内部温度、湿度、亮度等环境信息，分别部署在实验室各区域。能源监测节点采用智能电表监测实验室电压、电流、功率以及功率因素角等参数，实时获取实验室电能消耗情况，并且支持远程断开功能。安防监测节点组主要检测实验室中是否有火焰、烟雾、人体。执行节点组包括LED灯亮度调节、窗帘开关控制以及空调控制，其根据物联网云平台下发的指令执行对应操作。网络层由ZigBee协调器和NB-IoT模块组成，其中ZigBee协调器负责ZigBee网络的组建与数据传输，并通过串口通信将ZigBee网络内容数据转发至NB-IoT模块，NB-IoT模块负责将数据包发送至互联网中，确保数据到达对应服务器。系统均采用无线传输模式，无需对实验室重新布线改造，易于部署，而且所有节点均处于低功耗工作模式，可减少系统后期维护工作量[8-9]。

图1 智能实验室系统结构图

1.2 系统关键技术

该系统是一套全覆盖、低功耗、运行稳定的实验室物联网监测系统，其关键技术在于将ZigBee网络和NB-IoT网络融合应用。当前国内主流的实验室物联网建设方案通常采用有线网络方式将实验室传感器数据上传至服务器，该方式虽然能够确保传感数据稳定传输，然而在夜晚或者寒暑假期间实验楼通常采取断电断网封闭的管理模式，此时实验室将处于管理真空状态，一旦出现险情将无法及时响应。

因此，本文采用NB-IoT无线广域网作为传输媒介，确保实验室处于全年监测状态。NB-IoT是近几年在物联网行业中应用较为广泛的无线低功耗广域网通信技术，其网络建设主要依靠中国移动、电信、联通三大运行商部署。截至2020年2月，全国累计接入设备数量破亿，覆盖电力、水务、共享单车等领域，目前该网络已在全国346个城市实现主要覆盖[10-11]。在此背景下，将NB-IoT技术引入高校实验室建设，可摒除传统有线网络存在的弊端。ZigBee网络是一种小范围内的低功耗自组织局域网，将ZigBee技术与NB-IoT技术相融合，实验室内部传感数据统一使用单个NB-IoT网络输出，可减少NB-IoT硬件模块使用，降低实验室建设的成本。

1.3 系统工作流程

系统传感层各类终端节点均采用ZigBee无线通信方式实现数据采集与控制，其核心控制芯片为ZigBee专用芯片CC2530单片机[12]。系统工作流程如图2所示，利用CC2530片内运行的Z-Stack协议栈定时采集环境、能源、安防类传感器数据并按照ModBus-RTU协议封装数据包[13-14]，通过ZigBee无线网络将数据发送至ZigBee协调器，协调器直接将数据包通过串口通信转发至NB-IoT模块，NB-IoT模块再通过运营商网络将数据包发送至物联网云平台，云平台接收并解析数据包后对传感数据进行记录分析，依据设定的控制策略判断是否报警或控制节点动作。若需控制执行节点动作，则将控制命令封装成ModBus-RTU协议数据包后重新下发至NB-IoT模块，再通过串口通信转发至ZigBee协调器，此时协调器需解析ModBus-RTU数据包内容，再将控制指令下发至对应执行节点，如窗帘、LED、空调等执行节点。

图2 智能实验室系统工作流程

2 系统硬件设计

2.1 终端传感节点硬件设计

系统各传感节点均配备1个CC2530模块，温湿度检测传感器采用DHT11检测模块，该模块支持单总线通信协议，需将数据线与CC2530的P0_6口相连即可实现温湿度数据采集[15]。光照检测传感器采用基于I2C总线通信协议的BH1750模块，将模块的数据线和时钟线分别与CC2530单片机P0_6和P0_5相连即可。智能电表模块选择正泰DTSU666系列，该系列支持RS 485总线输出电压、电路、功率等信息，通过RS 458转TTL模块接入CC2530单片机USART1接口，实现CC2530串口采集电表实时信息。烟雾检测采用MQ-2传感器，利用CC2530单片机内置16位ADC转换模块定时采集MQ-2引脚电压模拟量，由于MQ-2传感器是一款加热型气敏半导体传感器，需持续5 V供电才能保证检测准确性。因此，该传感器采用单独适配器5 V供电。火焰检测和人体红外检测传感器均采用I/O数字量采集方式，CC2530通过轮询方式访问P0_6引脚获取传感器当前状态。

2.2 终端执行节点硬件设计

执行节点同样采用CC2530模块控制输出方式，空调控制模块采用IR-20学习型红外收发模块[16]，该模块可实现空调、电视机、投影仪等设备红外控制。因此，系统选择该模块也是为了在未来便于扩充红外执行节点，红外收发模块通过TTL串口线接入CC2530单片机，CC2530在接收到ZigBee协调器空调控制指令后，将指令数据包转换为红外收发模块所需报文格式，再通过串口通信发送至红外收发模块即可实现空调控制。窗帘控制模块为双路电机控制器，CC2530将P1_0和P1_1引脚高低电平输入至控制器，即可实现双路电机正反转控制，从而控制窗帘开闭。LED控制选择256级LED控制器，该控制器可同时支持8通道256级亮度变化，CC2530通过串口通信方式将亮度信息发送至控制器实现LED灯光亮度控制。

2.3 网络层硬件设计

系统网络层硬件主要是ZigBee协调器与NB-IoT模块联动，NB-IoT模块型号为稳恒WH-NB75，选择电信NB物联网专用SIM卡作为模块入网身份认证。采用TTL串口通信方式连接CC2530最小系统，用于NB-IoT网络与ZigBee网络数据直连交互。

3 软件设计

根据系统功能要求，程序设计主要包括终端节点程序设计、ZigBee协调器程序设计以及通信数据帧结构设计，从而实现底层传感数据采集、无线数据传输、执行节点控制等功能。传感数据上传方向为ZigBee传感节点、ZigBee协调器、NB-IoT模块、物联网云平台。为减少ZigBee协调器计算负担，由终端传感节点定时主动采集数据，并直接对数据进行ModBus-RTU协议封装，ZigBee协调器只需对数据包内容提取转发至NB-IoT模块即可。

3.1 终端节点程序设计

终端节点采用ZigBee无线通信技术实现传感数据采集和执行节点控制功能，其程序框架以Z-Stack协议栈为基础，Z-Stack协议栈包含ZigBee协议所规定的基本功能，并通过函数的形式实现。协议栈内部包含OSAL操作系统，用以协调控制多任务之间的资源分配、切换、同步以及互斥。二次开发者只需在OSAL操作系统应用层增加传感器采集和节点控制任务即可实现ZigBee通信。当传感节点上电运行后，初始化硬件，初始化OSAL操作系统各层次任务，操作系统通过轮询方式访问各层次任务是否有事件执行，若定时器发送中断，则采集传感器数据，并按照ModBus-RTU通信协议格式封装数据发送至协调器，其具体工作流程如图3所示。同理，当云平台下达控制信息后，由ZigBee协调器负责解析控制信息，根据节点地址表将控制命令通过ZigBee通信传输至对应终端执行节点，并由执行节点控制设备动作。

图3 终端传感节点程序流程

3.2 数据帧结构设计

根据物联网云平台数据通信要求，所有接入云平台的设备数据传输均采用工业上较为常见的ModBus-RTU通信协议，即可实现各类节点之间数据传递。数据格式见表1所列。

表1 ModBus-RTU通信协议数据格式 B

4 系统功能测试

为验证系统的准确性和稳定性，选取正常教学使用的计算机实验室进行测试。其中，温湿度模块和光照度模块安装于实验室靠窗侧天花板处，智能电表安装于教室强电柜中，在不改变原有电气结构下，接入1盏LED灯作为模拟负载，烟雾检测传感器、火焰检测传感器、人体红外检测传感器、空调控制模块分别安装于教室中间天花板处。此外，由于该实验室暂未改造电动窗帘，因此电动窗帘开关采用灯泡亮灭模拟演示，LED控制模块安装在LED灯附近。系统运行后，物联网云平台实时显示实验室环境、安防等信息，如图4所示。

图4 智能实验室数据监测界面

5 结 语

本文设计了一款基于ZigBee网络和NB-IoT网络融合应用的智能实验室系统。该系统能够实现实验室内部环境、安防等数据的监控，并且可通过物联网云平台控制LED、空调、窗帘等执行节点动作，具有低功耗、低流量、无需布线改造、人工维护成本低等特点。解决了当前实验室管理存在的弊端，具备一定的实际应用价值，同时也为智慧校园建设提供基础支撑。未来将持续改善系统结构，构建更加适合用户操作的终端界面，实现课堂、假期、课后等多种模式一键切换。