◆李曉茹 江河

基于Arduino的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

◆李曉茹 江河

（太原學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程系 山西 030012）

目前，實(shí)驗(yàn)室管理已從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持的自動化管理。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計實(shí)驗(yàn)室自動化管理系統(tǒng)，提出了安全的實(shí)驗(yàn)室訪問原則，使用智能門禁和視頻系統(tǒng)設(shè)計了一種經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)識別身份速度快，準(zhǔn)確率高，為實(shí)驗(yàn)室高效和安全的管理起到了積極作用。

物聯(lián)網(wǎng)；Arduino；傳感器；RFID；智能攝像頭

隨著我國高校的發(fā)展壯大，校園中的各種資產(chǎn)管理已成為一個亟待解決的問題。其中實(shí)驗(yàn)室的管理尤為重要，首先實(shí)驗(yàn)室的資產(chǎn)眾多，價格不菲，其次實(shí)驗(yàn)室往往存在著很多安全隱患[1]。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室管理存在很多問題，例如當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)達(dá)到或超過可控的閾值時，實(shí)驗(yàn)室管理人員就會出現(xiàn)顧此失彼的情況，難以達(dá)到管理的效果。隨之而來的是實(shí)驗(yàn)室管理混亂，學(xué)生進(jìn)出隨意，實(shí)驗(yàn)儀器損壞、丟失、缺少等問題[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是解決以上這些問題的一種合理選擇，物聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備可用于替代某些傳統(tǒng)設(shè)備，子系統(tǒng)設(shè)備之間可以方便相互連接。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室管理自動化時，各方面的管理都將精確化，不僅可以減少人力，還能節(jié)約資源。

1 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，建立起科學(xué)精確管理系統(tǒng)的需求愈發(fā)凸顯[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)旨在以智能和有效的方式改善用戶與設(shè)備的交互。我們提出了智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的概念，采用了最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分步提供安全認(rèn)證，以提高安全性。這種身份驗(yàn)證包括授予/撤銷訪問權(quán)限和確認(rèn)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的訪問者身份。系統(tǒng)使用Arduino作為基礎(chǔ)平臺進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)理念是通過智能門禁實(shí)現(xiàn)安全實(shí)驗(yàn)室訪問。

學(xué)生想要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，必須持有實(shí)驗(yàn)室專用的RFID卡，一旦刷卡，系統(tǒng)就會通過手機(jī)以即時通知的方式向系統(tǒng)管理員發(fā)出提醒信息，讓管理員無論在哪里都能知道有學(xué)生想要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生是否可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，智能門禁會按照系統(tǒng)規(guī)則來進(jìn)行決策。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之后，系統(tǒng)連同圖像和進(jìn)入記錄一起存儲在數(shù)據(jù)庫中，供以后使用。

2 相關(guān)技術(shù)

Arduino是一系列基于小型微控制器的廉價計算板卡，可以輕松互連并以適當(dāng)?shù)乃枧渲媒M合，目前在全球移動市場中占有很大份額，因此作為我們的首選。Arduino可以執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室管理所需的所有功能，與PC平臺相比具有價格低，功耗低，可靠性高，良好的連接性和有限的數(shù)據(jù)處理性能[5]。

Arduino作為基本設(shè)備，其中包含了系統(tǒng)的多個組件，還可以與智能攝像頭模塊連接，該攝像頭模塊將用于捕獲圖像，并裝有像運(yùn)動檢測器一樣的傳感器，以檢測合法用戶或者入侵者的活動，如果發(fā)生未經(jīng)授權(quán)的進(jìn)入，系統(tǒng)將觸發(fā)警報[6]。

3 智能實(shí)驗(yàn)室管理需求分析

分析階段應(yīng)確定實(shí)驗(yàn)管理的可行性和通用模型。通用模型是分析階段的輸出，也是下一個設(shè)計階段的輸入。此階段的任務(wù)是提供未來實(shí)驗(yàn)室管理的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。需求分析需要對現(xiàn)有平臺進(jìn)行綜述，以作為實(shí)驗(yàn)室管理實(shí)施的對象，并根據(jù)所需的性能，計算能力，開發(fā)條件和其他因素，在要求高和限制性強(qiáng)的情況下，選擇一個平臺組合作為解決方案[7]。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的主要條件是：

● 可以在不受時間和距離限制的情況下使用；

● 智能實(shí)驗(yàn)室管理的建設(shè)和運(yùn)行成本必須盡可能低；

● 實(shí)驗(yàn)室管理必須有避免錯誤使用的控制；

● 實(shí)時監(jiān)控，可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)訪問；

● 功能強(qiáng)大且用戶友好的界面；

● 完整的數(shù)據(jù)捕獲，歸檔和檢索解決方案；

● 高度可靠，準(zhǔn)確，實(shí)時的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，智能實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)是：為通信系統(tǒng)、視頻捕捉、傳感器組和用戶界面的物聯(lián)網(wǎng)，研究，設(shè)計，開發(fā)和測試創(chuàng)造環(huán)境[8]。為此，智能實(shí)驗(yàn)室配備了智能攝像頭，用于監(jiān)視環(huán)境參數(shù)的傳感器以及將獲取的信息傳遞到服務(wù)器所必需的通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的核心設(shè)備是Arduino平臺，該平臺可以連接種類眾多的其他設(shè)備，例如：LED，攝像頭，傳感器等。此外，源代碼的編譯，加載和執(zhí)行均由Arduino板運(yùn)行。它還具有可連接到互聯(lián)網(wǎng)的Wi-Fi芯片，WI-FI信號具有更好的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對于增加用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。另外，管理系統(tǒng)中添加了一個物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，以便管理員可以直觀地觀察學(xué)生行為。

智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)有三層體系結(jié)構(gòu)，由感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成。感知層位于體系結(jié)構(gòu)的最底層，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室管理信息的收集，其組成包括用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)儀器相關(guān)數(shù)據(jù)的各種傳感器，例如溫濕度傳感器，煙霧傳感器，有害氣體傳感器等。數(shù)據(jù)層支持感知層與應(yīng)用層之間的通信。應(yīng)用層主要是按照客戶要求提供管理所需的信息，如圖2所示。

圖2 智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

4.1 感知層設(shè)計

感知層中傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)和消息服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸取決于應(yīng)用程序需求。它可以是連續(xù)的，事件驅(qū)動的，查詢驅(qū)動的或混合的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)以連續(xù)的方式在預(yù)定的時間間隔內(nèi)定期發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。而事件驅(qū)動，僅在發(fā)生緊急事件時才進(jìn)行傳輸。感知層中存在的Wi-Fi模塊通過互聯(lián)網(wǎng)、消息傳遞服務(wù)器將數(shù)據(jù)作為文本消息發(fā)送到數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理。然后，它將傳感器數(shù)據(jù)填充到數(shù)據(jù)庫中，從而使應(yīng)用程序可以訪問傳感器數(shù)據(jù)。服務(wù)器包含各種服務(wù)，用戶可以根據(jù)應(yīng)用程序需求進(jìn)行訂閱。

感知層包括溫濕度傳感器，煙霧傳感器，有害氣體傳感器等。為了處理板級通信，使用了具有AT MEGA328的板控制器Arduino。該板級控制器單元的主要目的是維持不同傳感器模塊之間的接口，并通過控制調(diào)制解調(diào)器將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ偶壙刂破髂K。

4.2 數(shù)據(jù)層的設(shè)計

數(shù)據(jù)層用作消息傳遞服務(wù)，通過無線網(wǎng)從物理層接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層還負(fù)責(zé)在預(yù)定義時間內(nèi)發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)，在發(fā)生非常規(guī)事件時生成警報，并處理接收的查詢請求。數(shù)據(jù)層通過消息傳遞服務(wù)器的協(xié)調(diào)，其處理從感知層收集的信息，并將它們存儲在數(shù)據(jù)庫中以提供從應(yīng)用程序?qū)诱埱蟮臄?shù)據(jù)，而應(yīng)用程序?qū)觿t配備了支持用戶各種服務(wù)的接口。

4.3 應(yīng)用層的設(shè)計

應(yīng)用層為用戶提供圖形用戶界面（GUI），其中包括訂閱服務(wù)，即時消息服務(wù)，警報服務(wù)，報告生成服務(wù)和API服務(wù)，該服務(wù)注冊用戶以接收定期更新，訂閱者的每日更新以推送消息服務(wù)的形式提供。即時消息服務(wù)由消息傳遞服務(wù)器直接處理。警報服務(wù)是指在某些超出閾值的情況下向所有訂閱的用戶提供警報消息，生成服務(wù)用于生成自定義報告。

實(shí)驗(yàn)室中有各種信息數(shù)據(jù)，包括工具/儀器，設(shè)備，材料，基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)清單，訪問數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)室使用，預(yù)訂，安排的數(shù)據(jù)等。用戶和管理員應(yīng)該能夠盡可能容易地，隨時隨地訪問信息，而不受距離和時間的限制，應(yīng)用層的設(shè)計和開發(fā)如圖3所示。

圖3 應(yīng)用層的設(shè)計和開發(fā)

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)通過設(shè)備到設(shè)備的直接交互來減少人為介入。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理方式局限性的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，我們通過構(gòu)建更強(qiáng)大的基礎(chǔ)架構(gòu)來解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和能源消耗的問題。在用戶反饋的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)的可用性和可靠性進(jìn)行調(diào)查，提高系統(tǒng)的性能。通過實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室管理自動化和成本效益方面具有重要意義。在未來的工作中，我們希望加入語音助手實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理雙向智能音頻通信。

[1]駱方舟.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].長春工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2018，19（4）：114-118.

[2]李郁峰，高小明. 基于網(wǎng)絡(luò)的低成本實(shí)驗(yàn)室門禁管理系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（6）：169-171.

[3]李新偉.智能家家居監(jiān)測與控制終端的研究與設(shè)計[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[4]吳麗娟，曾石峭，成蓮，等.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的食品實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化與信息工程，2018，39（3）：40-44.

[5]慧淵．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[D] .杭州：杭州電子科技大學(xué)，2014.

[6]邱鵬瑞.基于Android與Arduino的高校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2018，27(5）：422-425.

[7]崔喬.基于Arduino開發(fā)板的建筑智能監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2018(4)：74-78.

[8]李想，馬廣焜，高偲程，等.基于云服務(wù)器與Arduino的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18(5）：28-31.