劉松霖，殷婷婷，陸怡成，張雨潔，陶佳雯，陳威健

（金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

對(duì)于高等院校而言，儀器設(shè)備等硬件設(shè)施是考核學(xué)校辦學(xué)條件和辦學(xué)水平的基本基礎(chǔ)和必要條件，也是學(xué)校重要的固定資產(chǎn)。隨著各高等院校專業(yè)設(shè)置的不斷完善，規(guī)模不斷拓展，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上也向傳統(tǒng)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)施提出了挑戰(zhàn)，其管理效率不高、信息不暢等問題突出，明顯已經(jīng)不能適應(yīng)高等院校管理的需求。

在對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的系統(tǒng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，日益繁雜的教學(xué)和科研任務(wù)與實(shí)驗(yàn)室有限的資源利用矛盾越來越突出，實(shí)驗(yàn)室往往超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致安全事故時(shí)有發(fā)生，后果嚴(yán)重。儀器設(shè)備管理人員工作量大，重復(fù)性勞動(dòng)多，儀器設(shè)備主管部門對(duì)儀器設(shè)備使用部門的儀器使用情況不能做到及時(shí)跟蹤了解，致使部分購(gòu)置的儀器設(shè)備長(zhǎng)期閑置，嚴(yán)重影響管理人員的工作效率和儀器使用價(jià)值。

如何通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理方式以提高儀器利用率與工作效率，成為亟待解決的問題。建立完善、高效的設(shè)備管理系統(tǒng)，將極大地促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)成果的出現(xiàn)和學(xué)科門類的發(fā)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著舉足輕重的影響，也是高等院校需要考量的一個(gè)重要課題。

近年來，隨著對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理的重視程度不斷加深，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷革新也使得遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室儀器成為可能。

本文綜合4G通信技術(shù)、WiFi無線通信技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)、NAT穿越技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)將高校的設(shè)備管理同先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以締造與高校設(shè)備管理相配套的相關(guān)信息和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器的開關(guān)狀態(tài)控制，還必須能夠提供儀器使用數(shù)據(jù)，完成高等院校設(shè)備的日常管理等工作，從而及時(shí)向管理人員提供相應(yīng)報(bào)表、數(shù)據(jù)信息等，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)決策提供有力依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器物聯(lián)系統(tǒng)包含單路智能遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和手機(jī)APP兩部分。其中，智能遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊由CPU模塊、插座轉(zhuǎn)接端口、電源電壓轉(zhuǎn)換、繼電器開關(guān)控制及驅(qū)動(dòng)電路、GPS定位、GPRS通信及SD卡存儲(chǔ)模塊組成。通過4G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)云端服務(wù)器連接，單路智能遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和手機(jī)APP可通過網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器共享數(shù)據(jù)和傳遞檢測(cè)指令。

圖1 儀器物聯(lián)總體方案

通過設(shè)計(jì)的單路智能遠(yuǎn)程控制開關(guān)布局網(wǎng)絡(luò)，對(duì)設(shè)備的電源插頭進(jìn)行控制開關(guān)轉(zhuǎn)接改造，實(shí)現(xiàn)儀器的網(wǎng)絡(luò)化和手機(jī)端APP控制。以1號(hào)房間的4臺(tái)儀器設(shè)備為例，智能化改造后形成的儀器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 儀器物聯(lián)系統(tǒng)示意圖

通過建立如儀器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所示的儀器物聯(lián)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制儀器開關(guān)和儀器使用狀態(tài)監(jiān)控的功能，滿足智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括單路智能遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件的核心CPU模塊設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)、傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)、繼電器模塊設(shè)計(jì)和儀器物聯(lián)管理平臺(tái)軟件的用戶手機(jī)APP設(shè)計(jì)。

2.1 智能遠(yuǎn)程電控模塊

儀器物聯(lián)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。儀器物聯(lián)管理系統(tǒng)硬件部分由核心CPU模塊、衛(wèi)星定位模塊、通信模塊、傳感器模塊、繼電器模塊以及存儲(chǔ)模塊組成。

圖3 儀器物聯(lián)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1.1 核心CPU模塊設(shè)計(jì)

智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)由于單片機(jī)靈巧通用的特點(diǎn)，使其能對(duì)各類實(shí)驗(yàn)室電器進(jìn)行邏輯控制。

儀器物聯(lián)管理系統(tǒng)所采用的芯片為ST公司出品的STM32F103C8T6系列芯片，本系列主控芯片原理如圖4所示。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，其程序存儲(chǔ)器FLASH容量為64 KB，RAM容量為20 KB，2個(gè)12 bit ADC，37個(gè)通用I/O口，4個(gè)16 bit通用定時(shí)器，2個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)24 bit向下計(jì)數(shù)的滴答定時(shí)器，2個(gè)IC，2個(gè)SPI，3個(gè)USART等，工作電壓為2～3.6 V，工作溫度為-40～70℃，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)72 MHz。系統(tǒng)使用芯片中的USART模塊進(jìn)行全雙工串行通信，并利用ADC模塊將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)及分析。

圖4 STM32F103C8T6主控芯片原理

通過該芯片組成的CPU模塊可聯(lián)合繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室電器進(jìn)行控制管理，將各傳感器數(shù)據(jù)采集后集中處理并上傳至網(wǎng)絡(luò)云端。

2.1.2 通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SIMcom公司出品的SIM800C模塊。該模塊具有性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價(jià)比高等特點(diǎn)。主要工作在850/900/1 800/1 900 MHz頻段，滿足GSM 2/2+標(biāo)準(zhǔn)，支持GSM/GPRS與AT指令控制。除此之外，其具有多樣化的硬件接口，可方便地與單片機(jī)通信，可在低功耗下實(shí)現(xiàn)SMS和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)可利用該模塊及GPS模塊實(shí)時(shí)共享儀器狀態(tài)/位置數(shù)據(jù)，同時(shí)在本地存儲(chǔ)卡保存，也可接收來自手機(jī)端APP的消息。例如，接收到開關(guān)指令后，CPU模塊將聯(lián)合繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀器供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)開關(guān)控制，符合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、低成本的特點(diǎn)。SIM800C原理如圖5所示。

圖5 SIM800主控芯片原理

2.1.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的功能，由電量傳感器、電壓傳感器、電流傳感器及通信模塊組成傳感器網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)服務(wù)。其中，電流傳感器采用型號(hào)為JCT5252C的杰特互感器精密微型電流互感器，本電流互感傳感器相關(guān)參數(shù)見表1所列。

表1 電流互感傳感器參數(shù)表

在本系統(tǒng)中，核心CPU模塊可通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生狀態(tài)切換或故障時(shí)可通過通信模塊將實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至APP端口，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警功能。

2.1.4 繼電器模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)繼電器模塊由電源電壓轉(zhuǎn)換模塊、電磁繼電器、繼電器驅(qū)動(dòng)等五部分組成。繼電器模塊工作流程如圖6所示。

圖6 繼電器模塊工作流程

電源電壓轉(zhuǎn)換模塊可將220 V/380 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V的直流電壓，為系統(tǒng)中相關(guān)模塊供電。電磁繼電器采用型號(hào)為SLA-12VDC-SL-A的松樂電磁繼電器，該繼電器使用壽命長(zhǎng)，體積小。繼電器模塊采取通用插座接口設(shè)計(jì)，使用大電流端子和對(duì)接端子，確保監(jiān)控模塊的通用性及適配性符合要求。繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可聯(lián)合CPU模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

2.1.5 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)設(shè)備是用于儲(chǔ)存信息的設(shè)備，通常是將信息數(shù)字化后再以利用電、磁或光學(xué)等方式的媒體加以存儲(chǔ)。由本地SD卡，F(xiàn)LASH等設(shè)備組成的存儲(chǔ)模塊可將儀器存儲(chǔ)情況進(jìn)行本地記錄，SD卡及FLASH原理如圖7所示。待CPU模塊通過通信模塊與云服務(wù)器產(chǎn)生連接后，可將本地?cái)?shù)據(jù)及時(shí)上傳至云端進(jìn)行備份，解決了無網(wǎng)絡(luò)情況下儀器運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及共享等問題。

圖7 SD卡及FLASH原理

2.2 儀器物聯(lián)管理平臺(tái)小程序設(shè)計(jì)

手機(jī)APP軟件功能包括已有的儀器設(shè)備列表、開關(guān)控制、儀器運(yùn)行狀態(tài)、儀器使用數(shù)據(jù)和用戶信息等功能，涉及UI界面設(shè)計(jì)Socket通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)。

APP設(shè)備總體狀態(tài)界面如圖8所示。設(shè)備總體狀態(tài)界面會(huì)顯示當(dāng)前分組所添加的設(shè)備名稱、狀態(tài)及添加時(shí)間。如處于禁用狀態(tài)，則顯示紅色字體，起警示作用?？稍谒阉鳈谥休斎朐O(shè)備名稱，便于用戶快速查找。

圖8 設(shè)備總體狀態(tài)界面

APP單設(shè)備控制界面如圖9所示。在單設(shè)備控制界面可進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的供電控制。相關(guān)設(shè)備還可通過APP與實(shí)驗(yàn)室攝像頭綁定以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理。

圖9 單設(shè)備控制界面

APP單設(shè)備狀態(tài)界面如圖10所示。在單設(shè)備狀態(tài)界面中會(huì)顯示設(shè)備電流、電壓，供電狀態(tài)等信息，方便相關(guān)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室電控管理。

圖10 單設(shè)備狀態(tài)界面

實(shí)驗(yàn)人員在手機(jī)端輸入項(xiàng)目和使用人信息后，可通過手機(jī)APP控制實(shí)驗(yàn)電源開關(guān)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有儀器的開關(guān)及工作狀態(tài)。管理人員可在網(wǎng)絡(luò)云端調(diào)取開關(guān)和運(yùn)行狀態(tài)記錄，形成儀器使用情況分析報(bào)告。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)的可行性和有效性，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理。

3.1 遠(yuǎn)程開關(guān)開啟情況

插座與手機(jī)端APP聯(lián)網(wǎng)，并操作手機(jī)端APP開啟開關(guān)。遠(yuǎn)程開關(guān)開啟情況如圖11所示。開關(guān)開啟后，插座外部電源指示燈及插座電源指示燈亮，由此可知插座有電且正為外部設(shè)備供電并與手機(jī)端APP成功連接。

圖11 APP操作開關(guān)打開

3.2 遠(yuǎn)程開關(guān)關(guān)閉情況

點(diǎn)擊手機(jī)端“關(guān)閉設(shè)備”按鈕，遠(yuǎn)程開關(guān)關(guān)閉情況如圖12所示。開關(guān)關(guān)閉后插座電源指示燈亮而插座外部電源指示燈滅。由此可知，APP操作后插座有電但此時(shí)不為外部供電，利用停止供電的方法將外部設(shè)備關(guān)閉，此時(shí)云端外部設(shè)備狀態(tài)顯示一致。

圖12 APP操作開關(guān)關(guān)閉

4 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能儀器遠(yuǎn)程電控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了儀器實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及儀器使用日志數(shù)據(jù)整合。本系統(tǒng)成功將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理控制系統(tǒng)中，減少了人工干預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。