基于物联网的实验室管理系统的设计与实现

【摘要】：随着高校的扩招,高校实验室的不断发展,实验室功能和人员也不断增多,传统人工记录和统计的实验室管理方法不仅智能水平低下,不能满足不断增加的需求,而且操作繁琐、工作效率低,难以进行实时的查询和统计,不能有效地利用这些数据信息对实验室运行状况进行深入分析。针对当前高校实验室管理的国内外研究现状和物联网技术的发展,通过对实验室信息管理和监控相关问题的深入研究和对大连理工大学移动互联网实验室的实地需求调研,最终设计了这套基于物联网的实验室管理系统。本系统以数字化、网络化监控为基础,采用物联网技术和移动互联网技术相结合,实现自动化的信息管理和智能化的监控。本系统主要包括四个模块：负责数据采集和控制的无线节点；在整个物联网中起通信中枢作用,连接各无线节点与服务器的物联网网关；对数据进行分析、存储和显示的服务器；实现远程控制功能的移动终端。无线节点可以具体地分为以下三种类型：一是由ZigBee模块、传感器模块和报警器模块组成的无线节点,这类节点负责采集实验室内相关的环境信息,并通过报警模块提示环境出现异常,包括温湿度模块、PM2.5模块和光照模块；二是由ZigBee模块和控制器模块构成的无线节点,用于实现实验室的灯光和窗帘的智能控制,包括灯光模块和窗帘模块；三是由ZigBee模块和读卡器等构成的无线节点,这类节点包括门禁模块和签到模块,门禁还包括一个电机模块,用来完成验证成功后开门的控制,实验室的门禁系统突破了以往只通过刷卡开门常规模式,实现了终端远程开门和刷卡开门的双重控制模式。物联网网关由ZigBee汇聚节点和路由器构成,ZigBee汇聚节点汇聚来自各无线节点的数据,然后由路由器通过socket通信协议把数据传输给服务器,物联网网关是整个实验室监控系统的通信枢纽。服务器端保存数据到数据库中、响应请求并发送相应的控制命令。管理员可以通过网站服务器对实验室的各项数据进行查询和管理,也可以通过网站控制端对实验室内设备进行远程控制。移动终端是基于Android平台的手机客户端。手机客户端通过Http网络协议向实验室服务器发送相应的控制命令,比如开灯、开关窗帘、开门等命令,服务器接收到请求之后,向物联网网关发送命令,物联网网关收到命令后进一步将命令分发到指定的无线节点,由无线节点执行相应的命令。由ZigBee节点、传感器和报警器构成的无线节点会周期性采集实验室内相关的环境信息,如温度、湿度、PM2.5值、光照,通过ZigBee通信把采集到的数据发送到由ZigBee汇聚节点和路由器组成的物联网网关,物联网网关将数据信息发送到服务器端,服务器接收数据,保存数据至数据库,手机客户端可以随时向服务器发送请求,获取数据库中的相应数据,即使人员不在实验室也能对实验室中环境情况进行实时监测,当实验室内环境出现非正常状态时,报警器会随之响起,实验室安保人员能够及时捕捉到相应的信息,以便尽快采取救援措施,减少实验室的损失。基于物联网的实验室管理系统,从多个方面如温度、湿度等对实验室进行全天候集中监控,采用了全新的自动化的报警机制,使实验室的监控达到自动化、智能化的水平；该系统采用NFC读卡的方式,结合多重身份验证的方式实现开门和签到,保证日常出入实验室的安全,可以准确方便地统计实验室人员出勤情况；系统还采用移动互联网技术,通过手机App控制实验室内的灯光、窗帘和门锁,方便实验室人员的生活。另外,系统实现了对设备和人员的统一管理,大大减少了管理成本,弥补了全国高校实验室在自动化和智能化方面的不足,并创新性地使用多重控制的门禁系统,实现移动互联网技术与物联网技术的有机结合。该系统基本实现了高校实验室的需求,达到了商品化的标准,实现了对实验室信息管理的自动化和监控的智能化。