基于物联网技术的智能仪器远程电控管理系统

刘松霖，殷婷婷，陆怡成，张雨洁，陶佳雯，陈威健

（金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

对于高等院校而言，仪器设备等硬件设施是考核学校办学条件和办学水平的基本基础和必要条件，也是学校重要的固定资产。随着各高等院校专业设置的不断完善，规模不断拓展，在实验室建设上也向传统仪器设备和实验设施提出了挑战，其管理效率不高、信息不畅等问题突出，明显已经不能适应高等院校管理的需求。

在对高校实验室建设的系统调查中发现，日益繁杂的教学和科研任务与实验室有限的资源利用矛盾越来越突出，实验室往往超负荷运行，导致安全事故时有发生，后果严重。仪器设备管理人员工作量大，重复性劳动多，仪器设备主管部门对仪器设备使用部门的仪器使用情况不能做到及时跟踪了解，致使部分购置的仪器设备长期闲置，严重影响管理人员的工作效率和仪器使用价值。

如何通过先进的实验室仪器设备管理方式以提高仪器利用率与工作效率，成为亟待解决的问题。建立完善、高效的设备管理系统，将极大地促进高校实验成果的出现和学科门类的发展，对实验教学有着举足轻重的影响，也是高等院校需要考量的一个重要课题。

近年来，随着对实验室管理的重视程度不断加深，对实验室设备管理系统的发展起到了促进作用。与此同时，物联网技术、通信技术、单片机技术、传感器技术的不断革新也使得远程监控实验室仪器成为可能。

本文综合4G通信技术、WiFi无线通信技术、嵌入式开发技术、NAT穿越技术等，设计了一套基于物联网技术的智能仪器远程电控管理系统。本系统将高校的设备管理同先进的计算机技术相结合，以缔造与高校设备管理相配套的相关信息和控制系统。该系统不但能够实现对仪器的开关状态控制，还必须能够提供仪器使用数据，完成高等院校设备的日常管理等工作，从而及时向管理人员提供相应报表、数据信息等，为实验室建设决策提供有力依据。

1 系统总体方案

基于物联网技术的智能仪器远程电控管理系统总体方案结构如图1所示。仪器物联系统包含单路智能远程监控模块和手机APP两部分。其中，智能远程监控模块由CPU模块、插座转接端口、电源电压转换、继电器开关控制及驱动电路、GPS定位、GPRS通信及SD卡存储模块组成。通过4G通信技术实现和网络云端服务器连接，单路智能远程监控模块和手机APP可通过网络云服务器共享数据和传递检测指令。

图1 仪器物联总体方案

通过设计的单路智能远程控制开关布局网络，对设备的电源插头进行控制开关转接改造，实现仪器的网络化和手机端APP控制。以1号房间的4台仪器设备为例，智能化改造后形成的仪器物联网络如图2所示。

图2 仪器物联系统示意图

通过建立如仪器物联网络所示的仪器物联系统，可以实现远程控制仪器开关和仪器使用状态监控的功能，满足智能仪器远程电控管理系统设计要求。

2 系统设计

系统设计包括单路智能远程监控硬件的核心CPU模块设计、通信模块设计、传感器网络模块设计、继电器模块设计和仪器物联管理平台软件的用户手机APP设计。

2.1 智能远程电控模块

仪器物联管理系统设计框图如图3所示。仪器物联管理系统硬件部分由核心CPU模块、卫星定位模块、通信模块、传感器模块、继电器模块以及存储模块组成。

图3 仪器物联管理系统设计框图

2.1.1 核心CPU模块设计

智能仪器远程电控管理系统由于单片机灵巧通用的特点，使其能对各类实验室电器进行逻辑控制。

仪器物联管理系统所采用的芯片为ST公司出品的STM32F103C8T6系列芯片，本系列主控芯片原理如图4所示。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，其程序存储器FLASH容量为64 KB，RAM容量为20 KB，2个12 bit ADC，37个通用I/O口，4个16 bit通用定时器，2个看门狗定时器，1个24 bit向下计数的滴答定时器，2个IC，2个SPI，3个USART等，工作电压为2～3.6 V，工作温度为-40～70℃，系统时钟最高可达72 MHz。系统使用芯片中的USART模块进行全双工串行通信，并利用ADC模块将传感器采集的模拟信号转变为数字信号进行存储及分析。

图4 STM32F103C8T6主控芯片原理

通过该芯片组成的CPU模块可联合继电器驱动系统对实验室电器进行控制管理，将各传感器数据采集后集中处理并上传至网络云端。

2.1.2 通信模块设计

本设计采用SIMcom公司出品的SIM800C模块。该模块具有性能稳定、外观小巧、性价比高等特点。主要工作在850/900/1 800/1 900 MHz频段，满足GSM 2/2+标准，支持GSM/GPRS与AT指令控制。除此之外，其具有多样化的硬件接口，可方便地与单片机通信，可在低功耗下实现SMS和数据传输。系统可利用该模块及GPS模块实时共享仪器状态/位置数据，同时在本地存储卡保存，也可接收来自手机端APP的消息。例如，接收到开关指令后，CPU模块将联合继电器驱动系统实现仪器供电系统的实时开关控制，符合物联网设备低功耗、低成本的特点。SIM800C原理如图5所示。

图5 SIM800主控芯片原理

2.1.3 传感器模块设计

为实现本系统实时监测设备运行状态的功能，由电量传感器、电压传感器、电流传感器及通信模块组成传感器网络为系统服务。其中，电流传感器采用型号为JCT5252C的杰特互感器精密微型电流互感器，本电流互感传感器相关参数见表1所列。

表1 电流互感传感器参数表

在本系统中，核心CPU模块可通过传感器网络实时检测设备运行状态，当发生状态切换或故障时可通过通信模块将实时状态数据发送至APP端口，以实现实时监测和故障报警功能。

2.1.4 继电器模块设计

本系统继电器模块由电源电压转换模块、电磁继电器、继电器驱动等五部分组成。继电器模块工作流程如图6所示。

图6 继电器模块工作流程

电源电压转换模块可将220 V/380 V的交流电压转换为5 V或3.3 V的直流电压，为系统中相关模块供电。电磁继电器采用型号为SLA-12VDC-SL-A的松乐电磁继电器，该继电器使用寿命长，体积小。继电器模块采取通用插座接口设计，使用大电流端子和对接端子，确保监控模块的通用性及适配性符合要求。继电器驱动系统可联合CPU模块实现逻辑控制。

2.1.5 存储模块设计

存储设备是用于储存信息的设备，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或光学等方式的媒体加以存储。由本地SD卡，FLASH等设备组成的存储模块可将仪器存储情况进行本地记录，SD卡及FLASH原理如图7所示。待CPU模块通过通信模块与云服务器产生连接后，可将本地数据及时上传至云端进行备份，解决了无网络情况下仪器运行数据的存储及共享等问题。

图7 SD卡及FLASH原理

2.2 仪器物联管理平台小程序设计

手机APP软件功能包括已有的仪器设备列表、开关控制、仪器运行状态、仪器使用数据和用户信息等功能，涉及UI界面设计Socket通信、数据存储等技术。

APP设备总体状态界面如图8所示。设备总体状态界面会显示当前分组所添加的设备名称、状态及添加时间。如处于禁用状态，则显示红色字体，起警示作用。可在搜索栏中输入设备名称，便于用户快速查找。

图8 设备总体状态界面

APP单设备控制界面如图9所示。在单设备控制界面可进行相关实验室设备的供电控制。相关设备还可通过APP与实验室摄像头绑定以加强实验室管理。

图9 单设备控制界面

APP单设备状态界面如图10所示。在单设备状态界面中会显示设备电流、电压，供电状态等信息，方便相关人员进行实验室电控管理。

图10 单设备状态界面

实验人员在手机端输入项目和使用人信息后，可通过手机APP控制实验电源开关，并实时监测所有仪器的开关及工作状态。管理人员可在网络云端调取开关和运行状态记录，形成仪器使用情况分析报告。

3 实验结果

为验证本文设计的智能仪器远程电控管理系统的可行性和有效性，在物联网环境下设计验证实验。实验结果表明，系统能够很好地对实验室仪器进行远程控制管理。

3.1 远程开关开启情况

插座与手机端APP联网，并操作手机端APP开启开关。远程开关开启情况如图11所示。开关开启后，插座外部电源指示灯及插座电源指示灯亮，由此可知插座有电且正为外部设备供电并与手机端APP成功连接。

图11 APP操作开关打开

3.2 远程开关关闭情况

点击手机端“关闭设备”按钮，远程开关关闭情况如图12所示。开关关闭后插座电源指示灯亮而插座外部电源指示灯灭。由此可知，APP操作后插座有电但此时不为外部供电，利用停止供电的方法将外部设备关闭，此时云端外部设备状态显示一致。

图12 APP操作开关关闭

4 结 语

本文基于物联网技术设计了智能仪器远程电控管理系统，实现了仪器实时状态监测、预警系统设计以及仪器使用日志数据整合。本系统成功将物联网技术运用到实验室仪器设备管理控制系统中，减少了人工干预实验结果的可能性，促进了实验室仪器设备的信息化、网络化、智能化管理。