基于物联网的实验室设备监控系统设计

河北大学电子信息工程学院 孙文博 赵晓军 田粮川

0 引言

实验室是学生、教师、科研人员等进行学习与科研实验的重要场所。当前高校的实验室大多存在仪器昂贵但使用率不高，实验仪器设备监管落后等问题[1-2]。因此实验室设备监控系统的建立可以有助于学校对实验室进行科学，系统的管理以及方便师生进行科研时仪器设备的使用。本文针对实验仪器设备运行情况，设备操作者以及实验室内环境等实验管理问题设计了一种实验室设备监控系统。

1 系统总体方案

由于设备的使用情况存在不确定性，因此设备监控是一个长期连续的监控过程。为达到对数据的实时采集，传输、显示可将实验室设备监控系统划分为三部分即实验室数据采集控制终端、数据处理终端和云平台。图1为实验室设备监控系统总体框图。实验室数据采集控制终端主要包括：终端控制板，WiFi通信，数据采集，控制模块等。数据处理终端利用WiFi模块构建星型网络结构，实现数据的接收、处理与打包并通过网络将数据传输到云服务器。云平台主要包括云服务器，PC端与手机端。设备管理人员可通过PC端或手机端可随时查看上传到服务器的数据，从而知道设备的使用情况。

图1 实验室设备监控系统总体框图

2 数据采集控制终端与数据处理终端

2.1 终端控制板

数据采集控制终端的整体结构框图如图2所示。该终端利用ATMEGA128单片机为主控芯片，对终端上的各个部分进行连接与控制。在终端上配置了存储芯片（EEPROM）对系统初始化的参数进行存储，如路由器信息，云服务器地址，设备ID等。在终端加入了语音模块进行设备状态播报以及报警等。此外还配置了无线模块接口，继电器模块，电源模块接口，温度采集模块等与终端上的其他模块相连。

图2 终端控制板整体结构框图

2.2 电流采集模块

设备的启动、工作、待机等不同状态会对应不同的电流值，设备停止时不会有电流流过电源。因此可使用电流互感器可作为工作情况的检测装置。本设计采用HCT502-A穿心式电流互感器对仪器设备的工作电流进行检测。电路原理图如图3所示。当电源线有电流时会产生磁场且磁场强度与电流的大小成正比。电流互感器接有运放、电容、电阻等电子元件将电流进行放大与测量。由于电流不易测量因此本次设计根据欧姆定律将电流转化为电压进行测量[3-4]。

2.3 WiFi模块

WiFi模块是采集控制终端与数据处理终端以及数据处理终端与云平台之间通信的桥梁。WiFi模块通讯为无线通讯方式。采用无线通讯可使系统安装更加方便，避免了有线通讯布线时的困扰。本次设计采用的模块是HLK-RM04无线模块。它是一款价格低廉的嵌入式无线通讯模块，并且内置了 TCP/IP 协议栈。1个数据处理终端与多个采集控制终端采用星型拓扑结构进行通信实现数据的集中处理与传输，可变向增加系统的负载能力也有利于故障的检测与隔离。用WiFi模块进行通信采用的是URAT协议主要包括以下几个部分：帧头、数据长度、采集控制终端编号、数据内容、数据校验位。

2.4 RFID信息采集模块

图3 电流互感器工作原理图

系统设计了RFID信息采集部分进行操作人员的信息采集，以便于更好的对实验室仪器的使用情况进行记录。通过RFID技术可以有效的判断是否有操作人员，无操作者时设备电源关闭，设备无法启动。当操作者将射频卡放到读写器，读取数据信息后系统根据使用者的权限情况进行判断是否可以操作该设备，降低事故发生概率。利用RFID对芯片信息读取时采用冲突检测，选卡，密码，数据的奇偶校验的程序设计来提高读取数据的准确度。

图4 数据采集控制终端流程图

2.5 数据采集控制终端软件设计

数据采集控制终端流程图如图4所示，初始化后测试数据采集控制终端与数据处理终端是否可以正常通讯。数据采集控制终端收到启动命令后启动程序对设备操作者的标签芯片进行检测，有权使用设备后继电器线圈导通触点闭合对设备进行供电。测量温度是否在阈值区间以内，偏离时断开继电器并进行报警。温度正常时利用AD采集检测设备的工作状态。该终端将数据显示的同时传输到数据处理终端。程序在返回到RFID检测，重复以上过程实现对仪器设备使用状况的实时监测。

3 云平台

研究人员利用云平台在对数据进行分析和处理时可以更方便快捷，同时用户可以通过电脑、手机等客户端通过云平台可以对现场的检测终端以及控制终端进行实时的监测和控制。

本文设计的云平台为乐为物联平台。该平台可以快速组建物联网应用，并对上传数据进行存储、分析、查询等也可以下发数据实现数据的双向传输。在云平台建立账户，并添加设备，传感器、控制器等相关数据参数。乐为物联与数据处理终端之间利用互联网采用TCP通信协议进行数据通信[5]。

4 测试及结果

为了测试实验室设备监控系统的可靠性，测试了设备在正常温度环境下的工作情况如图5所示。OLED显示屏上显示了RFID检测到实验员信息，采样电压，设备状态以及环境温度。利用WiFi把数据传输至数据处理终端。

此外还对温度传感器周围进行加热对环境温度过高进行了语音报警测试。数据处理终端对数据进行打包整理后发送到云平台，并通过手机端对上传数据进行实时观测如图6所示。利用PC端实现了对实验室设备供电的远距离控制，PC端界面如图7所示。

图5 数据采集控制终端工作实物图

图6 手机端数据查询图

图7 PC端远程控制界面

5 结束语

与传统的监控系统相比，该系统通过RFID、WIFI通信、AD采集，物联网等技术的组合完成了数据处理终端与采集控制终端以及云平台的设计。三者之间采用无线通讯避免了有线通讯的繁琐有利于各个终端的安装与移动。同时利用手机与PC机实现了系统远程控制与数据的实时监测。系统除了适用于实验室可应用于车间、商场等用电设备的监测与控制。随着社会的发展以及实验室管理制度的完善实验室设备监控系统必然会得到广泛应用。

[1]韩世岩,李淑君,刘志明,韦双颖.实验室管理在教学科研中的实践作用[J].广东化工,2016,43(19)：197-198.

[2]韩方珍,俞守华,方永美,徐东风,肖媚燕.基于物联网技术的实验室管理系统设计[J].实验室研究与探索,2015,34(12)：238-240+259[2017-09-04].

[3]申军涛.基于RFID/ZigBee实验室设备远程监控系统的设计[D].河北大学,2014.

[4]马瑾.电流互感器监测终端研究[D].华北电力大学,2016.

[5]夏芸芸.基于乐联网云平台的物联网的研究及实现[D].苏州大学,2016.