吳旭+潘華

摘要：本文對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制下學(xué)?？茖W(xué)實驗園的設(shè)計和研究進(jìn)行探討，分析學(xué)校實驗園建設(shè)出現(xiàn)的問題，并提出學(xué)校科學(xué)實驗園的設(shè)計思路，提出解決方案，為學(xué)校科學(xué)實驗園的設(shè)計提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；科學(xué)實驗園；設(shè)計；研究

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0140-03

1 研究內(nèi)容

1.1 整體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)控制的學(xué)?？茖W(xué)實驗園系統(tǒng)設(shè)計，實際上是由不同的層次所構(gòu)成，如應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層和感知層，其中的每個層次又能分成若干個子層次，保證整個系統(tǒng)的設(shè)計能夠貫穿硬件系統(tǒng)和面向用戶的圖形界面，具有很大的跨度，繼而提升了對設(shè)計人員工作的需求。而物聯(lián)網(wǎng)控制下學(xué)?？茖W(xué)實驗園設(shè)計的難點(diǎn)則是系統(tǒng)的集成工作，同時還需要做好軟硬件的協(xié)同工作以及跨平臺之后的兼容性。

對于系統(tǒng)功能模塊和軟件架構(gòu)層次角度來說，學(xué)?？茖W(xué)實驗園系統(tǒng)的功能模塊主要有以下幾點(diǎn)（見圖1）。

（1）系統(tǒng)登陸。登陸系統(tǒng)的方式可允許管理員使用指紋掃描、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證以及RFID等等，進(jìn)行對數(shù)據(jù)的查詢和修改。（2）網(wǎng)絡(luò)信息平臺?；贐/S架構(gòu)，對關(guān)鍵的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀看，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制和管理的充分落實。（3）中央控制平臺。保證在主操作界面上，能夠?qū)嵤Χ鄠€模塊如安全、設(shè)備以及人員等的管理。（4）數(shù)據(jù)平臺。主要是針對中央控制平臺，以實現(xiàn)查詢、持久化的服務(wù)。（5）掃描倉儲。采用多種方式如二位編碼、掃碼器，與數(shù)據(jù)平臺和局域網(wǎng)相互配合，實現(xiàn)條碼生成-掃碼-出庫等一系列操作。（6）人員管理。采用物聯(lián)認(rèn)證相關(guān)設(shè)備，對人員進(jìn)行管理，如打卡的方式來觀測人員的進(jìn)出，并將所有記錄保存在數(shù)據(jù)庫。（7）安全防護(hù)。其中的模塊主要有身份認(rèn)證，環(huán)境、視頻等監(jiān)控以及報警，采用攝像頭、Zigbee、光感、紅外和報警器等設(shè)備，全面落實。（8）燈光電力。充分落實智能用電。（9）智能展柜。將實驗園的成果放于智能展柜中，若沒有授權(quán)則無法將展柜打開，所有展柜打開等過程都被展柜系統(tǒng)記錄，與展品移動有關(guān)的信息都存入數(shù)據(jù)平臺中。（10）擴(kuò)展。主要是對硬件接口擴(kuò)展板和軟件編程切面的預(yù)留工作，在未來進(jìn)行實現(xiàn)。

學(xué)?？茖W(xué)實驗園軟件層次架構(gòu)如圖2，主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

（1）傳感控制網(wǎng)絡(luò)。其構(gòu)成有控制器和傳感器，實施對物理參數(shù)的監(jiān)控，如濕度、溫度、聲音等等，同時還可實現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，抽象化物聯(lián)網(wǎng)的感知層和硬件。（2）ARM+Linux+Android中控平臺。充分采用Anrroid平臺，Linux操作系統(tǒng)，Arm架構(gòu)處理芯片，匯總整個傳感器控制網(wǎng)絡(luò)信息，并實現(xiàn)可視化操作，繼而實現(xiàn)與Windows平臺之間的數(shù)據(jù)交互，開發(fā)移動端應(yīng)用。（3）Windows平臺。在Windows操作系統(tǒng)的管理、控制程序、監(jiān)視下，實施與DB、Web、Arm平臺的交互，開發(fā)桌面級的應(yīng)用。（4）Wsb信息控制。即成立可在多種平臺軟件適應(yīng)的、基于html5的網(wǎng)站，完成系統(tǒng)參數(shù)的展示，并便于接受網(wǎng)絡(luò)的控制。（5）DB（數(shù)據(jù)庫）。用于對系統(tǒng)參數(shù)、日志、關(guān)鍵數(shù)據(jù)以及管理員等的身份信息的保存。

1.2 實驗園單個構(gòu)架

1.2.1 實驗園安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)

作為整個系統(tǒng)的核心所在，其中的部分主要有控制單元、中央處理單元、預(yù)警報警單元、輸入和輸出單元，見圖3。其中輸入接口單元可對傳感器的輸入信號接收，實現(xiàn)開關(guān)輸入接口和中央處理單元的聯(lián)接；實現(xiàn)模擬量信號向數(shù)字量信息的傳喚，有效被中央處理單元接收。中央處理單元則是對接收輸入接口單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的邏輯運(yùn)行和判斷；若監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)警報值之后，將能夠?qū)⒕瘓蟮男畔鬏斀o警報單元；實現(xiàn)在排風(fēng)系統(tǒng)和切斷試驗臺中對警報信息控制單元的利用。預(yù)警報警單元能夠?qū)⒅醒胩幚砥鱾鬏數(shù)男畔⒔邮眨⒆龀鱿嚓P(guān)提示，讓實驗人員遠(yuǎn)離試驗臺。反饋控制單元的輸入信號依據(jù)是中央處理單元進(jìn)行邏輯判斷的結(jié)果，若超出預(yù)設(shè)值之后，則會反饋到排風(fēng)系統(tǒng)和切斷供電電源。輸出接口單元將中央處理單元輸出的報警信息以及狀態(tài)接受，之后實現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

1.2.2 實驗園動植物配置

（1）實驗園的建設(shè)不僅僅需要各個子系統(tǒng)的完善，同時還需要合理配置一些動植物。在學(xué)校實驗園的建設(shè)中若存在盲目引種或者動植物配置方式不恰當(dāng)，則會導(dǎo)致動植物生態(tài)適應(yīng)性降低，以及增加維護(hù)費(fèi)用，將其了動植物配置在實驗園中的生態(tài)服務(wù)作用。因此，選取的動植物在數(shù)量上必須依照實驗園的需求決定，且必須具備較高的美觀價值和生態(tài)效應(yīng)，為學(xué)校實驗園的建設(shè)增添色彩。（2）學(xué)校實驗園動植物在配置好之后，便可采用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括動植物所處的溫度和濕度，在全方位的實時檢測下實現(xiàn)對動植物的有效保護(hù)和控制。其中植物的種植可使用盆栽或者假植的方式，增強(qiáng)苗木移栽的便捷性以及成活率。（3）學(xué)校實驗園規(guī)劃需要結(jié)合學(xué)校自身辦學(xué)特點(diǎn)和周邊環(huán)境進(jìn)行總結(jié)，盡量引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和科學(xué)的實驗條件，遵循科學(xué)的規(guī)律進(jìn)行設(shè)計。

2 實現(xiàn)效果

學(xué)校科學(xué)實驗園系統(tǒng)實現(xiàn)是通過Qt編程，從整體上看軟件同有兩大部分，即監(jiān)控子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)，保護(hù)方式實施雙重密碼機(jī)制。在客戶端以及瀏覽器上輸入第一密碼身份認(rèn)證之后，則可進(jìn)入中控臺。其中的監(jiān)控機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)：

（1）無限傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控窗體的切換采用的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單；（2）全局監(jiān)控菜單能夠?qū)崿F(xiàn)全局視角，從圖6中看，左側(cè)是科學(xué)實驗園的平面布局動圖，可使用鼠標(biāo)電擊來觀看每一個區(qū)域，之后則可進(jìn)入子區(qū)域的監(jiān)控子窗口，右上是傳感器節(jié)點(diǎn)信息子窗口，對全局動圖中的傳感器圖標(biāo)點(diǎn)擊之后，則能夠獲取該區(qū)域的所有傳感器監(jiān)控信息，如果觸發(fā)了特定的報警傳感器，那么在整個傳感器子窗口中則會優(yōu)先顯示出來。右下是視頻監(jiān)控的子窗口，將被選中的攝像頭中的影像動態(tài)顯示出來；（3）藍(lán)牙設(shè)備的監(jiān)控信息可通過藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單所得；（4）整個科學(xué)實驗園的電力電子系統(tǒng)的監(jiān)控是采用電力系統(tǒng)菜單實現(xiàn)；（5）視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控菜單形成視頻墻，可以觀察到所有攝像頭的視頻，便于實施統(tǒng)一管理；（6）傳感器的狀態(tài)、門禁以及報警的所有信息都由監(jiān)控日志菜單記錄，同時可以實現(xiàn)保存、分析以及采樣數(shù)據(jù)的功能。endprint

管理子系統(tǒng)的入口在監(jiān)控子系統(tǒng)的下側(cè)，在輸入第二密碼之后便能夠進(jìn)入其中，實現(xiàn)對內(nèi)容的審閱和修改。

3 學(xué)?？茖W(xué)實驗園設(shè)計要求

學(xué)校科學(xué)實驗園的設(shè)計離不開對物聯(lián)網(wǎng)的需求。一旦實驗園中出現(xiàn)一些問題，如有毒氣體的泄露、實驗設(shè)備的故障以及植物的凋亡等等問題，都能夠通過物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控的條件下及時進(jìn)行處理。從上圖能夠看出，傳感器能夠及時發(fā)出警報和報警，為學(xué)生和教師創(chuàng)建一個安全的實驗園環(huán)境，從而進(jìn)行有效的科學(xué)實驗，做出更大的成果。

4 學(xué)校科學(xué)實驗園系統(tǒng)的創(chuàng)新

4.1 安全管理模式

傳統(tǒng)的學(xué)?？茖W(xué)實驗園安全管理一般來說是人工監(jiān)控或者創(chuàng)建相關(guān)安全管理制度。在這種模式下加大了實驗園教學(xué)人員的工作量，導(dǎo)致工作難度加大，在實驗過程中無法集中精力，導(dǎo)致出現(xiàn)一系列安全事故。在實施本系統(tǒng)的安全管理之后，全天24h都能夠?qū)嶒瀳@的情況進(jìn)行全方位監(jiān)控，嚴(yán)格的報警和預(yù)警設(shè)施創(chuàng)建了更加安全的實驗園環(huán)境。

4.2 實驗園安全監(jiān)控技術(shù)

從當(dāng)前大多數(shù)學(xué)校的實驗園安全監(jiān)控技術(shù)來看，確實是一項重大缺失，大多數(shù)學(xué)校在建設(shè)實驗園時并沒有安全的監(jiān)控設(shè)施，導(dǎo)致實驗園內(nèi)一些有毒氣體、溫度、濕度在不合理的情況下也無從得知，而此系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了對學(xué)?？茖W(xué)實驗園的安全監(jiān)控的技術(shù)創(chuàng)新。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

學(xué)校實驗園監(jiān)控的方式可通過客戶端電腦進(jìn)行，也能夠利用移動智能收集，是數(shù)據(jù)的一種控制和交互，充分發(fā)揮了典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用。

4.4 動植物配置

傳統(tǒng)的學(xué)校實驗園更加注重的是科學(xué)技術(shù)的實驗，迫切得到更大的成就，而本次學(xué)校實驗園的建設(shè)從環(huán)境和生態(tài)上為學(xué)生和教師提供了更高服務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控下保證了實驗園整體環(huán)境和溫度的適宜。

5 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)作為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的變革，更是當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的衍生。本系統(tǒng)充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計并研究了學(xué)?？茖W(xué)實驗園，在多個方位實現(xiàn)了對學(xué)校實驗園的合理開發(fā)以及監(jiān)控，在保證教學(xué)工作人員自身安全的條件下，提升學(xué)校科學(xué)實驗成果；同時在合理的動植物配置下增強(qiáng)實驗園綜合性質(zhì)，為整體實驗園的建設(shè)提供有效驅(qū)動力。本設(shè)計具備成本低、結(jié)構(gòu)新穎、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)，同時穩(wěn)定、高效，能夠合理完善學(xué)?？茖W(xué)實驗園的建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1]李雪.基于物聯(lián)網(wǎng)的高職院校實驗室建設(shè)研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，（6）.

[2]李光雷，潘慶陽，徐堅，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高職院校實驗室智能管理平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2016，35（5）：249-252.

[3]賴程鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室的研究與設(shè)計[D].華北電力大學(xué)（北京）華北電力大學(xué)，2015.

[4]樊曉露，張寶明.基于物聯(lián)網(wǎng)的虛擬智慧供應(yīng)鏈貿(mào)易管理實驗平臺研究設(shè)計[J].電子商務(wù)，2016（2）：11-13.

[5]吳旭.研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚測控系統(tǒng)[J].通訊世界，2015，24（12）：303-304.

Abstract：This article discusses the design and research of the school science experiment garden under the control of IOT technology， analyzes the problems that appear in the construction of the school experiment garden， and puts forward the design ideas of the school science experiment garden and puts forward the solutions to design the school science experiment garden Provide a valid basis.

Key Words：Internet of Things；Science Park；design；researchendprint