祝加雄

（樂山師范學院 電子信息與人工智能學院，四川樂山， 614000）

0 引言

高校實驗室是人才培養(yǎng)、科學研究必備場所，管理工作專業(yè)且重要。但是目前高校的實驗室大部分仍采用傳統(tǒng)的人工管理、實驗室運行紙質記錄運行使用情況；實驗室安全和實驗室內(nèi)的設備使用和維護主要依靠使用的教師、實驗員和學生采用人工的方式管理和維護，實驗室利用率低，安全性較為滯后。

應用新興信息技術建設教學環(huán)境，實現(xiàn)實驗室的高效管理以及資源的合理配置。文獻[1]江波通過對實驗儀器管理的功能需求調研，以解決電子技術實驗室儀器管理效率為目標，設計實現(xiàn)了可對設備工作狀態(tài)監(jiān)控實驗室儀器管理系統(tǒng)，保障實驗過程中設備的正常運行。文獻[2]王雁南等提出利用基于物聯(lián)網(wǎng)的各種技術，包括用戶層、網(wǎng)絡層、感知層、應用層和數(shù)據(jù)層的智慧物聯(lián)網(wǎng)實驗室的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗室的安全、設備環(huán)境、人員、儀器使用情況等方面的管理，提升儀器利用率。文獻[3]李延香，趙薔，袁輝等人針對高校實驗室管理現(xiàn)狀，提出了基于實驗室管理的基礎數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理的三層智慧實驗室架構模型，并采用瀏覽器網(wǎng)頁監(jiān)控模式實現(xiàn)對實驗設備遠程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和智能安防。

本文提出了一種基于ESP8266芯片開發(fā)板為主控器的智慧實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。采用 ESP8266與云路由器通過WIFI可實時將采集到的實驗室運行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，經(jīng)過服務器處理后在微信公眾號中顯示當前實驗室運行狀態(tài)，提高了實驗室的使用率和安全性。

1 需求分析

從構建學院傳感器實驗室智慧管理系統(tǒng)的需求出發(fā)，該實驗室傳感器設備數(shù)種類和數(shù)量大，交叉課程如虛擬儀器、電子系統(tǒng)設計也需要使用該實驗室傳感器，且課程運行中有一定損耗等特點，設備管理目前缺乏統(tǒng)一的管理平臺，為實現(xiàn)信息化管理和儀器設備共享，本設計利用RFID標簽對傳感器實驗各類設備進行分類信息存儲與識別。

利用RS485傳輸特性，在傳感器實驗室特定區(qū)域處布置溫濕度傳感器、PM2.5、光照度等信息的測量。在實驗室門上安裝電子鎖，進行指紋開鎖和遠程密碼開鎖控制。對于實驗室的空調和燈光按照對應的繼電器模塊，進行遠程控制。

利用微信公眾號平臺，進行實驗室信息的實時發(fā)布，讓學生和教師及時掌握傳感器實驗室的運行狀況，便于預約使用和記錄使用情況，從而提高實驗室的使用率和信息化管理。

超高清攝像頭模塊，可直接與 WiFi網(wǎng)絡進行對接配對，通過RTSP進行數(shù)據(jù)傳遞；門禁設備、空調控制器、照明、溫濕度、煙感等對實時性和可靠性要求都較高，所以采用RS485 方式接入ESP8266開發(fā)板，再進行上傳數(shù)據(jù)。具體列表如表1、表2、表3所示。

表1 設備列表

表2 RS485數(shù)據(jù)讀取規(guī)則

表3 溫濕度、煙感等傳感器數(shù)據(jù)響應規(guī)則

2 總體設計

該設計的硬件以傳感器實驗室為基礎，以阿里云的云平臺軟件為核心，以ESP8266芯片的開發(fā)板作為主控制器，通過串口、485總線方式對傳感器實驗室中的煙感、可燃氣體、CO氣體、PM2.5、溫濕度傳感器進行采集，通過RSTP方式傳輸攝像頭視頻流，在主控器ESP8266中進行信息處理后，使用WiFi鏈接網(wǎng)絡，通過云路由器傳遞到云服務器，微信公眾號中進行遠程控制，把設置指令傳遞給云服務器，云服務器中相應更改被設置的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的對應數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)，主動下發(fā)數(shù)據(jù)包給云路由器，云路由器接收到數(shù)據(jù)包后，轉發(fā)給ESP8266主控板，主控板接收到數(shù)據(jù)包后，進行數(shù)據(jù)解析，然后進行傳感器實驗室門禁系統(tǒng)控制、遠程開鎖、實驗室內(nèi)燈光控制、實驗室室內(nèi)電氣設備開關控制、實驗室安全報警[4]。云服務器接收到與路由器上傳的數(shù)據(jù)包后，如果出現(xiàn)異常值，則需要主動通過微信公眾號平臺發(fā)布傳感器實驗室報警情況，直至解除報警。學生和教師也可以主動通過微信公眾號查詢傳感器實驗室當前的使用狀態(tài)和過去使用記錄等信息?？傮w框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 硬件設計

■3.1 主控模塊設計

云路由器是ESP8266芯片開發(fā)板與云平臺的交互門戶，內(nèi)含Linux操作系統(tǒng)，與STM32系統(tǒng)板結合，對外接口有LoRa、UART、4G/5G、WiFi等，便于各類傳感器接入。云路由器與各類數(shù)據(jù)傳感器和控制器采用ModbusRTU進行采集與控制，云路由器還兼容Http協(xié)議，可以與云服務器快速鏈接傳遞數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)包括核心拓展版STM32F407最小系統(tǒng)和對應外圍接口電路，主要完成數(shù)據(jù)采集與設備控制，核心板ESP8266主要進行數(shù)據(jù)WiFi傳輸或4G、5G傳輸，整個系統(tǒng)的電源模塊采用220v交流接入，輸出直流穩(wěn)壓電源有24V，12V，5V和3.3V為傳感器、控制器、主控板提供穩(wěn)定的電源支持。具體框圖如圖2所示。

圖2 云路由器硬件圖

云路由器基于容器技術內(nèi)裝有智能操作系統(tǒng)RTOS，可進行遠程管理、遠程監(jiān)控、在線升級。云路由器采用標準物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，通過采集終端進行數(shù)據(jù)信息收集整理，然后通過WiFi傳送數(shù)據(jù)包，采用MQTT的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)打包集中上報至對應綁定的云服務器平臺，云服務平臺與對綁定的微信公眾號提供標準化數(shù)據(jù)接口及服務，進行相互可靠的數(shù)據(jù)傳輸。但高清攝像頭視頻數(shù)據(jù)量大，則本設計采用H265數(shù)據(jù)編碼，進行流媒體進行推送至云服務器，云服務進行對應視頻文件按照10min一個文件進行存放。

■3.2 電源設計

系統(tǒng)的電源模塊采用交流輸入，通過線性變壓器轉化為24V直流穩(wěn)壓源進行供電，24V直流電源通過三端穩(wěn)壓器LM7812EE輸出穩(wěn)定的12V直流電源，對各類功率較大的繼電器控制模塊、電機、空調、電子門鎖進行12V穩(wěn)定供電。12V直流電源再通過三端穩(wěn)壓器LM7805EE輸出穩(wěn)定的5V直流電源，對ESP8266核心板、STM32單片機、WiFi模塊等進行穩(wěn)定供電。5V直流電源通過LM1117輸出穩(wěn)定的3.3V直流電源，對溫濕度傳感器、光照傳感器、CO傳感器等進行穩(wěn)定供電。穩(wěn)壓電路如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電路設計

■3.3 WiFi電路設計

本設計以ESP8266核心板，采用商用級的無線模塊，使用串口與STM32單片機進行通訊，電路設計中只需對 VCC、GND、RESET、TXD 以及 RXD 引腳進行配置，其他電路不需要進行電路配置。具體配置為：ESP8266芯片與STM32F407單片機一同接3.3V，ESP8266芯片的GND也與STM32F407單片機共地。ESP8266核心板工作時，STM32F407單片機可以對芯片發(fā)出指令進行復位。芯片的RXD引腳與STM32F407單片機的TX引腳相連，STM32F407單片機輸出的數(shù)據(jù)通過該引腳輸入，芯片的TXD引腳與STM32F407單片機的RX引腳連接，芯片模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)將通過TX引腳發(fā)送給STM32F407單片機模塊。系統(tǒng)波特率設置為 9600。具體電路如圖4所示。

圖4 WiFi電路

4 軟件設計

本設計基于Non-OS SDK開發(fā)的，采用定時方式采集實驗室監(jiān)控數(shù)據(jù)，實驗室對象為學院傳感器實驗室。定時設定10s進行定時中斷一次，發(fā)生中斷時，依次喚醒各類傳感器，如煙感、照明、溫濕度等，通過RS485分時進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)ESP8266核心板處理后，再與云路由器通訊，由云路由器按照一定規(guī)則進行數(shù)據(jù)打包上傳到云服務器上，更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表。但對于超高清攝像頭進行畫面監(jiān)測時，只是進行數(shù)據(jù)的傳遞與存儲。當測量數(shù)據(jù)異常時，在實驗內(nèi)通過ESP8266開發(fā)板觸發(fā)報警，云服務器通過消息推送微信消息進行報警，直到手動處理消除報警后，再進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。微信公眾號上進行查詢設置后，在微信公眾號上發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)值至云服務器，云服務器更新相關數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)信息，并觸發(fā)下發(fā)指令，把狀態(tài)發(fā)生改變的數(shù)據(jù)狀態(tài)值打包向ESP8266開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)，ESP8266開發(fā)板收到數(shù)據(jù)包后進行解析，根據(jù)狀態(tài)值進行控制執(zhí)行器執(zhí)行對應操作。如門禁系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、設備供電系統(tǒng)、空調系統(tǒng)等工作。具體流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

系統(tǒng)通過SmartConfig 配網(wǎng)模式進行WiFi配網(wǎng)，ESP8266核心開發(fā)板的WiFi模塊與微信小程序通過WiFi信道廣播特定編碼數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中含有用戶設置的WiFi名和WiFi密碼，當系統(tǒng)進行WiFi初始化時，SmartConfig進入配網(wǎng)模式，ESP8266核心開發(fā)板上的WiFi模塊進入混雜監(jiān)聽模式[5]，對覆蓋范圍內(nèi)所有WiFi數(shù)據(jù)信號進行監(jiān)聽，當微信小程序發(fā)送的數(shù)據(jù)接收并解碼正確時，則表明WiFi模塊獲得了正確的WiFi名和WiFi密碼，然后在ESP8266核心開發(fā)板上進行存儲，接著連接熱點上網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳送，網(wǎng)絡配置完成。具體流程圖如圖6所示。

圖6 SmartConfig配網(wǎng)流程

5 結語

基于ESP8266芯片的開發(fā)板的智慧實驗室管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了學院傳感器實驗室使用情況的發(fā)布、實驗室內(nèi)視頻、用電設備控制、環(huán)境監(jiān)測，提高了傳感器實驗室的使用率、安全性和電子化管理。但目前云服務器使用免費版，數(shù)據(jù)存儲量較小，而且對于較多實驗室的綜合數(shù)據(jù)的歸檔和分析能力較弱，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸也未進行加密傳輸，后續(xù)需進一步加強智慧實驗室的信息處理能力和安全性。