河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 孫文博 趙曉軍 田糧川

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生、教師、科研人員等進(jìn)行學(xué)習(xí)與科研實(shí)驗(yàn)的重要場所。當(dāng)前高校的實(shí)驗(yàn)室大多存在儀器昂貴但使用率不高，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備監(jiān)管落后等問題[1-2]。因此實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的建立可以有助于學(xué)校對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)，系統(tǒng)的管理以及方便師生進(jìn)行科研時儀器設(shè)備的使用。本文針對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備運(yùn)行情況，設(shè)備操作者以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境等實(shí)驗(yàn)管理問題設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

由于設(shè)備的使用情況存在不確定性，因此設(shè)備監(jiān)控是一個長期連續(xù)的監(jiān)控過程。為達(dá)到對數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，傳輸、顯示可將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)劃分為三部分即實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集控制終端、數(shù)據(jù)處理終端和云平臺。圖1為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集控制終端主要包括：終端控制板，WiFi通信，數(shù)據(jù)采集，控制模塊等。數(shù)據(jù)處理終端利用WiFi模塊構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理與打包并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。云平臺主要包括云服務(wù)器，PC端與手機(jī)端。設(shè)備管理人員可通過PC端或手機(jī)端可隨時查看上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，從而知道設(shè)備的使用情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

2 數(shù)據(jù)采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端

2.1 終端控制板

數(shù)據(jù)采集控制終端的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該終端利用ATMEGA128單片機(jī)為主控芯片，對終端上的各個部分進(jìn)行連接與控制。在終端上配置了存儲芯片（EEPROM）對系統(tǒng)初始化的參數(shù)進(jìn)行存儲，如路由器信息，云服務(wù)器地址，設(shè)備ID等。在終端加入了語音模塊進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)播報(bào)以及報(bào)警等。此外還配置了無線模塊接口，繼電器模塊，電源模塊接口，溫度采集模塊等與終端上的其他模塊相連。

圖2 終端控制板整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電流采集模塊

設(shè)備的啟動、工作、待機(jī)等不同狀態(tài)會對應(yīng)不同的電流值，設(shè)備停止時不會有電流流過電源。因此可使用電流互感器可作為工作情況的檢測裝置。本設(shè)計(jì)采用HCT502-A穿心式電流互感器對儀器設(shè)備的工作電流進(jìn)行檢測。電路原理圖如圖3所示。當(dāng)電源線有電流時會產(chǎn)生磁場且磁場強(qiáng)度與電流的大小成正比。電流互感器接有運(yùn)放、電容、電阻等電子元件將電流進(jìn)行放大與測量。由于電流不易測量因此本次設(shè)計(jì)根據(jù)歐姆定律將電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行測量[3-4]。

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊是采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端以及數(shù)據(jù)處理終端與云平臺之間通信的橋梁。WiFi模塊通訊為無線通訊方式。采用無線通訊可使系統(tǒng)安裝更加方便，避免了有線通訊布線時的困擾。本次設(shè)計(jì)采用的模塊是HLK-RM04無線模塊。它是一款價(jià)格低廉的嵌入式無線通訊模塊，并且內(nèi)置了 TCP/IP 協(xié)議棧。1個數(shù)據(jù)處理終端與多個采集控制終端采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理與傳輸，可變向增加系統(tǒng)的負(fù)載能力也有利于故障的檢測與隔離。用WiFi模塊進(jìn)行通信采用的是URAT協(xié)議主要包括以下幾個部分：幀頭、數(shù)據(jù)長度、采集控制終端編號、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。

2.4 RFID信息采集模塊

圖3 電流互感器工作原理圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了RFID信息采集部分進(jìn)行操作人員的信息采集，以便于更好的對實(shí)驗(yàn)室儀器的使用情況進(jìn)行記錄。通過RFID技術(shù)可以有效的判斷是否有操作人員，無操作者時設(shè)備電源關(guān)閉，設(shè)備無法啟動。當(dāng)操作者將射頻卡放到讀寫器，讀取數(shù)據(jù)信息后系統(tǒng)根據(jù)使用者的權(quán)限情況進(jìn)行判斷是否可以操作該設(shè)備，降低事故發(fā)生概率。利用RFID對芯片信息讀取時采用沖突檢測，選卡，密碼，數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)來提高讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制終端流程圖

2.5 數(shù)據(jù)采集控制終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制終端流程圖如圖4所示，初始化后測試數(shù)據(jù)采集控制終端與數(shù)據(jù)處理終端是否可以正常通訊。數(shù)據(jù)采集控制終端收到啟動命令后啟動程序?qū)υO(shè)備操作者的標(biāo)簽芯片進(jìn)行檢測，有權(quán)使用設(shè)備后繼電器線圈導(dǎo)通觸點(diǎn)閉合對設(shè)備進(jìn)行供電。測量溫度是否在閾值區(qū)間以內(nèi)，偏離時斷開繼電器并進(jìn)行報(bào)警。溫度正常時利用AD采集檢測設(shè)備的工作狀態(tài)。該終端將數(shù)據(jù)顯示的同時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理終端。程序在返回到RFID檢測，重復(fù)以上過程實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備使用狀況的實(shí)時監(jiān)測。

3 云平臺

研究人員利用云平臺在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時可以更方便快捷，同時用戶可以通過電腦、手機(jī)等客戶端通過云平臺可以對現(xiàn)場的檢測終端以及控制終端進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和控制。

本文設(shè)計(jì)的云平臺為樂為物聯(lián)平臺。該平臺可以快速組建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、查詢等也可以下發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。在云平臺建立賬戶，并添加設(shè)備，傳感器、控制器等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)。樂為物聯(lián)與數(shù)據(jù)處理終端之間利用互聯(lián)網(wǎng)采用TCP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。

4 測試及結(jié)果

為了測試實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，測試了設(shè)備在正常溫度環(huán)境下的工作情況如圖5所示。OLED顯示屏上顯示了RFID檢測到實(shí)驗(yàn)員信息，采樣電壓，設(shè)備狀態(tài)以及環(huán)境溫度。利用WiFi把數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

此外還對溫度傳感器周圍進(jìn)行加熱對環(huán)境溫度過高進(jìn)行了語音報(bào)警測試。數(shù)據(jù)處理終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理后發(fā)送到云平臺，并通過手機(jī)端對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時觀測如圖6所示。利用PC端實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備供電的遠(yuǎn)距離控制，PC端界面如圖7所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集控制終端工作實(shí)物圖

圖6 手機(jī)端數(shù)據(jù)查詢圖

圖7 PC端遠(yuǎn)程控制界面

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過RFID、WIFI通信、AD采集，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的組合完成了數(shù)據(jù)處理終端與采集控制終端以及云平臺的設(shè)計(jì)。三者之間采用無線通訊避免了有線通訊的繁瑣有利于各個終端的安裝與移動。同時利用手機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)除了適用于實(shí)驗(yàn)室可應(yīng)用于車間、商場等用電設(shè)備的監(jiān)測與控制。隨著社會的發(fā)展以及實(shí)驗(yàn)室管理制度的完善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)必然會得到廣泛應(yīng)用。

[1]韓世巖,李淑君,劉志明,韋雙穎.實(shí)驗(yàn)室管理在教學(xué)科研中的實(shí)踐作用[J].廣東化工,2016,43(19)：197-198.

[2]韓方珍,俞守華,方永美,徐東風(fēng),肖媚燕.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(12)：238-240+259[2017-09-04].

[3]申軍濤.基于RFID/ZigBee實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].河北大學(xué),2014.

[4]馬瑾.電流互感器監(jiān)測終端研究[D].華北電力大學(xué),2016.

[5]夏蕓蕓.基于樂聯(lián)網(wǎng)云平臺的物聯(lián)網(wǎng)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué),2016.