基于物联网的实验室温度远程监控系统设计

时间：2024-05-04

施新起

（国家广电总局六五四台，新疆呼图壁，831200）

0 前言

温度远程专项监控系统，对于实验室来说属于较为重要的部分，系统设计效果高低与否，对实验室各项工作影响较大，而物联网则可起到良好的辅助作用。因而，综合分析物联网之下实验室的温度远程专项监控系统实践设计，有着一定的现实意义和价值。

1 系统框架

为确保物联网之下实验室的温度远程专项监控系统各项功能得以有效实现，此次以开源树莓派基础套件集可靠性系统程序语言为基础所构建物联网系统架构在。该系统是结合物联网三层结构组织的软硬件，内含感知模块、中间传输模块、应用模块等。结合系统要求及架构分析，后台处理系统程序借助 Python 实施编辑操作，接收转换及存储传感装置信息数据，钉钉版本机器人装置报警系统对接API，实施对蜂鸣装置和风扇灯应急控制[1]。数据信息库内选定开源Maria DB，其语法相通于My SQL，支持PHP 和 Python语言语法。以PHP7 为基础编写Web 端系统程序，确保系统网页上面可展示出该部分数据信息库。内网穿透需经海贝锐企业所提供花生壳Oray 提供动态化名解析系统服务来实现，把局域网络当中服务装置映射至我互联网当中，远程访问即可实现。该系统内部，温度传感装置把所采集数字化信号经1-wire 的总线及时传输到总系统内部，Python 编写后台系统处理程序实操期间，需拆解好数据包，数据信息需转换且存入至数据信息库内，判断数据参数值为过小或过大，监测到了异常参数值后，系统后台程序和钉钉版本机器人会及时实施对接报警操作，驱动蜂鸣装置及风扇高效运行。Web 端的PHP 编写程序实施数据库内信息数据读取，在网页上面实时显示最新数据，如图1 为流程示意图。

图1 系统运行流程示意图

2 设计实践

■2.1 在硬件层面

以树莓派为系统主要控制和运算服务装置，感知装置是DS18B20 型号数字温度的传感装置，把源蜂装置当成本地的报警装置，因考虑到装置需长期稳定运行，故装置需配置UPS 电源起到辅助运行作用，防止断电情况之下装置难以对异常现象予以准确记录和警报，因装置部署环境之下可能无网线相关基础设施，故树莓派和外部联络方式可借助Wi-Fi、有线网络等手段，应对环境所造成不便情况，详见图2为系统硬件设计详细情况。

图2 硬件设计详细情况

（1）在树莓派层面

在一定程度上，树莓派属于以ARM 为基础架构电脑版，美国的树莓派专项基金会所研制，大小类似于扑克牌，具备单片装置或者电脑各项功能，能够搭载win10 的物联网系统版本、Linux 主流发行的版本，因价格相对低廉，由于较高可扩展性[2]。此次以4B 型号树莓派开发板，设 Linux 系统当中Debian 所发行的版本，内含 GPIO 型号1-wire 系统接口，5V 型号GND 及VCC 接口。

（2）在数字温度的传感装置层面

因树莓派无模数转换装置，故无法直接接收该模拟信号，因温度远程的监控系统选定DS18B20 型号数字温度的传感装置为主要的感知装置。DS18B20 为数字温度的传感装置常用类型，内含引脚三个、寄存装置、计数装置、晶振等。温度测定范围是-55℃至±125℃，±0.5℃精度。温度改变后，晶振会有脉冲变化产生，并传递至计数装置当中，计数装置静加减运输分析，把数值传至寄存装置，寄存装置上面所显示数值为当前实际温度[3]。

（3）在总线层面

在一定程度上，1-wire 总线属于双工异步半串行传输手段，仅需一条信号便能够传输数据信息。1-wire 总线实际传输期间，信号线可实现数据信息传输，还属于连接至1-wire 总线设备电源主要来源。所有1-wire 总线均独立设置64 位的标识码，方便对连接设备实施有效辨识，故可搭载装置相对较多。

■2.2 在软件层面

以Linux 树莓派为基础，维持系统软件正常运行状态，以Python3-7 实施编写操作，Maria DB 的数据库内存储数据信息。因考虑到系统硬件自身运算性能，所有传感装置均设单独进程，下列为详细的流程：系统程序读取到传感装置相关信息数据后，逐步返回数据信息目录之下数据包，借助数据信息转换解包，把数据信息转换为一种以摄氏度为基本单位的参数值，把所采集到我的温度计时间数据存至数据信息库内。程序循环运行，对比设定阈值，以便于判断温度是否异常，是否需要激活报警功能模块，并驱动着风扇维持良好运行状态。

（1）在读取数据层面

因系统需读取该传感装置内部数据信息，故需经import os 库当中 os system 函数的模拟终端装置运行mod probe系统指令激活接口，找到该传感装置返回信息数据文件，完成数据文件读取后，依照着utf-8系统格式返回，开启新进程，便于获取前两行数据信息，予以包装好，实施是被信息数据检测，重试至首行末尾处YES，经运算后，把数据信息转换成摄氏度返回。如图3 所示。

图3 温度读取流程

（2）在数据库层面

此次设计当中，数据信息库可存放后台系统程序所获取信息数据及前台系统程序，对所展示出数据实施有效读取，且可查询历史数据信息，介绍后台系统程序把数据信息存入至数据库整个实操过程。音传感装置持续更新，数据信息库需实时存入更多新数据信息，故插入语句需放置于循环监测系统模块当中，监测与存储同步完成。因树莓派内含采集数据、云服务装置等在，数据信息库连接并不需要指定IP 外部地址，可直接实施本地操作，确保信息传输操作稳定性及安全性得以提升[4]。

（3）在报警和控制功能层面

该系统内部报警及控制功能模块内含钉钉版本机器人的报警模块、风扇控制系统模块、蜂鸣装置报警等，各个模块有效联合，实现多途径报警，信息数据可精准且安全发送至管理员后台，损失得以减少。钉钉版本机器人，她属于钉钉办公的社交软件一种内置功能，为钉钉群聊扩展功能，能够把第三方的服务信息静接口推送至群聊当中，信息可实现有效同步。蜂鸣装置属于本地报警系统模块，能够弥补断网相关极端环境之下报警形式的空缺，属于单独的系统程序。异常情况出现后，主程序会及时通过相应编码予以有效条用。调用主程序期间，高电平输出，蜂鸣装置会发出声响。温度在回至正常参数值后，系统主程序会将停止信号发出，蜂鸣装置则会停止运行。异常温度环境之下，风扇可起到一定响应装置作用，后续使用期间可替换成空调开关相关基础设施。风扇运行原理类似于蜂鸣装置外部的一种可调用系统程序。如图4 所示。

图4 报警和控制模块

■2.3 在测试层面

搭建硬件系统平台和软件编程完毕，对该系统开展整体测试，对系统自身可靠性及功能性予以有效验证分析。此次研究，布设好小型的实验室开展一周持续性的运行测试。

（1）在功能测试层面

功能测试，即为验证系统内部既定功能，内含数据信息能否正常完成此案件入库存储，网页可否实现正常显示，异常参数值发生后是否能够及时开展报警操作等各项系统功能。需对系统装置开展细致检查工作，确保装置硬件正常连接，进入到数据库内部，在将数据表当中数据指令输入进去，查阅所存储信息数据。报警测试期间，技术员需手握温度传感装置，确保温度可提升到30℃，对钉钉可否存在着机器人的报警信息数据实施有效检查，观察该蜂鸣装置可否维持正常发声状态。

（2）在可靠性测定层面

围绕着系统开展可靠性的有效测定，其实验证系统可否维持稳定运行状态，部署环境下不会有宕机产生。若卡顿异常，或者是同步产生多条传感装置，则是否会堵塞信息数据。测定结果属于实验室内部温度远程专项监控系统一周持续运行后，可始终维持系统稳定可靠的运行状态，宕机及卡顿等现象并未产生，所有系统功能均可维持正常稳定地运行状态。