基于ESP8266主控器的智慧实验室的监控设计

祝加雄

（乐山师范学院 电子信息与人工智能学院，四川乐山， 614000）

0 引言

高校实验室是人才培养、科学研究必备场所，管理工作专业且重要。但是目前高校的实验室大部分仍采用传统的人工管理、实验室运行纸质记录运行使用情况；实验室安全和实验室内的设备使用和维护主要依靠使用的教师、实验员和学生采用人工的方式管理和维护，实验室利用率低，安全性较为滞后。

应用新兴信息技术建设教学环境，实现实验室的高效管理以及资源的合理配置。文献[1]江波通过对实验仪器管理的功能需求调研，以解决电子技术实验室仪器管理效率为目标，设计实现了可对设备工作状态监控实验室仪器管理系统，保障实验过程中设备的正常运行。文献[2]王雁南等提出利用基于物联网的各种技术，包括用户层、网络层、感知层、应用层和数据层的智慧物联网实验室的管理系统，实现了实验室的安全、设备环境、人员、仪器使用情况等方面的管理，提升仪器利用率。文献[3]李延香，赵蔷，袁辉等人针对高校实验室管理现状，提出了基于实验室管理的基础数据采集、数据传输、数据处理的三层智慧实验室架构模型，并采用浏览器网页监控模式实现对实验设备远程联网监控和智能安防。

本文提出了一种基于ESP8266芯片开发板为主控器的智慧实验室监控系统。采用 ESP8266与云路由器通过WIFI可实时将采集到的实验室运行状态数据发送到服务器，经过服务器处理后在微信公众号中显示当前实验室运行状态，提高了实验室的使用率和安全性。

1 需求分析

从构建学院传感器实验室智慧管理系统的需求出发，该实验室传感器设备数种类和数量大，交叉课程如虚拟仪器、电子系统设计也需要使用该实验室传感器，且课程运行中有一定损耗等特点，设备管理目前缺乏统一的管理平台，为实现信息化管理和仪器设备共享，本设计利用RFID标签对传感器实验各类设备进行分类信息存储与识别。

利用RS485传输特性，在传感器实验室特定区域处布置温湿度传感器、PM2.5、光照度等信息的测量。在实验室门上安装电子锁，进行指纹开锁和远程密码开锁控制。对于实验室的空调和灯光按照对应的继电器模块，进行远程控制。

利用微信公众号平台，进行实验室信息的实时发布，让学生和教师及时掌握传感器实验室的运行状况，便于预约使用和记录使用情况，从而提高实验室的使用率和信息化管理。

超高清摄像头模块，可直接与 WiFi网络进行对接配对，通过RTSP进行数据传递；门禁设备、空调控制器、照明、温湿度、烟感等对实时性和可靠性要求都较高，所以采用RS485 方式接入ESP8266开发板，再进行上传数据。具体列表如表1、表2、表3所示。

表1 设备列表

表2 RS485数据读取规则

表3 温湿度、烟感等传感器数据响应规则

2 总体设计

该设计的硬件以传感器实验室为基础，以阿里云的云平台软件为核心，以ESP8266芯片的开发板作为主控制器，通过串口、485总线方式对传感器实验室中的烟感、可燃气体、CO气体、PM2.5、温湿度传感器进行采集，通过RSTP方式传输摄像头视频流，在主控器ESP8266中进行信息处理后，使用WiFi链接网络，通过云路由器传递到云服务器，微信公众号中进行远程控制，把设置指令传递给云服务器，云服务器中相应更改被设置的控制状态数据库中的对应数据表数据，主动下发数据包给云路由器，云路由器接收到数据包后，转发给ESP8266主控板，主控板接收到数据包后，进行数据解析，然后进行传感器实验室门禁系统控制、远程开锁、实验室内灯光控制、实验室室内电气设备开关控制、实验室安全报警[4]。云服务器接收到与路由器上传的数据包后，如果出现异常值，则需要主动通过微信公众号平台发布传感器实验室报警情况，直至解除报警。学生和教师也可以主动通过微信公众号查询传感器实验室当前的使用状态和过去使用记录等信息。总体框图如图 1 所示。

图1 系统整体框图

3 硬件设计

■3.1 主控模块设计

云路由器是ESP8266芯片开发板与云平台的交互门户，内含Linux操作系统，与STM32系统板结合，对外接口有LoRa、UART、4G/5G、WiFi等，便于各类传感器接入。云路由器与各类数据传感器和控制器采用ModbusRTU进行采集与控制，云路由器还兼容Http协议，可以与云服务器快速链接传递数据信息。系统包括核心拓展版STM32F407最小系统和对应外围接口电路，主要完成数据采集与设备控制，核心板ESP8266主要进行数据WiFi传输或4G、5G传输，整个系统的电源模块采用220v交流接入，输出直流稳压电源有24V，12V，5V和3.3V为传感器、控制器、主控板提供稳定的电源支持。具体框图如图2所示。

图2 云路由器硬件图

云路由器基于容器技术内装有智能操作系统RTOS，可进行远程管理、远程监控、在线升级。云路由器采用标准物联网协议，通过采集终端进行数据信息收集整理，然后通过WiFi传送数据包，采用MQTT的数据格式进行数据打包集中上报至对应绑定的云服务器平台，云服务平台与对绑定的微信公众号提供标准化数据接口及服务，进行相互可靠的数据传输。但高清摄像头视频数据量大，则本设计采用H265数据编码，进行流媒体进行推送至云服务器，云服务进行对应视频文件按照10min一个文件进行存放。

■3.2 电源设计

系统的电源模块采用交流输入，通过线性变压器转化为24V直流稳压源进行供电，24V直流电源通过三端稳压器LM7812EE输出稳定的12V直流电源，对各类功率较大的继电器控制模块、电机、空调、电子门锁进行12V稳定供电。12V直流电源再通过三端稳压器LM7805EE输出稳定的5V直流电源，对ESP8266核心板、STM32单片机、WiFi模块等进行稳定供电。5V直流电源通过LM1117输出稳定的3.3V直流电源，对温湿度传感器、光照传感器、CO传感器等进行稳定供电。稳压电路如图3所示。

图3 稳压电路设计

■3.3 WiFi电路设计

本设计以ESP8266核心板，采用商用级的无线模块，使用串口与STM32单片机进行通讯，电路设计中只需对 VCC、GND、RESET、TXD 以及 RXD 引脚进行配置，其他电路不需要进行电路配置。具体配置为：ESP8266芯片与STM32F407单片机一同接3.3V，ESP8266芯片的GND也与STM32F407单片机共地。ESP8266核心板工作时，STM32F407单片机可以对芯片发出指令进行复位。芯片的RXD引脚与STM32F407单片机的TX引脚相连，STM32F407单片机输出的数据通过该引脚输入，芯片的TXD引脚与STM32F407单片机的RX引脚连接，芯片模块发送的数据将通过TX引脚发送给STM32F407单片机模块。系统波特率设置为 9600。具体电路如图4所示。

图4 WiFi电路

4 软件设计

本设计基于Non-OS SDK开发的，采用定时方式采集实验室监控数据，实验室对象为学院传感器实验室。定时设定10s进行定时中断一次，发生中断时，依次唤醒各类传感器，如烟感、照明、温湿度等，通过RS485分时进行数据采集，经ESP8266核心板处理后，再与云路由器通讯，由云路由器按照一定规则进行数据打包上传到云服务器上，更新数据库中的数据表。但对于超高清摄像头进行画面监测时，只是进行数据的传递与存储。当测量数据异常时，在实验内通过ESP8266开发板触发报警，云服务器通过消息推送微信消息进行报警，直到手动处理消除报警后，再进行数据监测。微信公众号上进行查询设置后，在微信公众号上发送数据状态值至云服务器，云服务器更新相关数据库中的数据表数据信息，并触发下发指令，把状态发生改变的数据状态值打包向ESP8266开发板发送数据，ESP8266开发板收到数据包后进行解析，根据状态值进行控制执行器执行对应操作。如门禁系统、照明系统、设备供电系统、空调系统等工作。具体流程图如图5所示。

图5 数据处理流程图

系统通过SmartConfig 配网模式进行WiFi配网，ESP8266核心开发板的WiFi模块与微信小程序通过WiFi信道广播特定编码数据包，该数据包中含有用户设置的WiFi名和WiFi密码，当系统进行WiFi初始化时，SmartConfig进入配网模式，ESP8266核心开发板上的WiFi模块进入混杂监听模式[5]，对覆盖范围内所有WiFi数据信号进行监听，当微信小程序发送的数据接收并解码正确时，则表明WiFi模块获得了正确的WiFi名和WiFi密码，然后在ESP8266核心开发板上进行存储，接着连接热点上网进行数据传送，网络配置完成。具体流程图如图6所示。

图6 SmartConfig配网流程

5 结语

基于ESP8266芯片的开发板的智慧实验室管理系统，实现了学院传感器实验室使用情况的发布、实验室内视频、用电设备控制、环境监测，提高了传感器实验室的使用率、安全性和电子化管理。但目前云服务器使用免费版，数据存储量较小，而且对于较多实验室的综合数据的归档和分析能力较弱，网络数据传输也未进行加密传输，后续需进一步加强智慧实验室的信息处理能力和安全性。