基于物联网的实验室管理系统的设计与实现

发布时间：2020-07-08 14:02

【摘要】：随着高校的扩招,高校实验室的不断发展,实验室功能和人员也不断增多,传统人工记录和统计的实验室管理方法不仅智能水平低下,不能满足不断增加的需求,而且操作繁琐、工作效率低,难以进行实时的查询和统计,不能有效地利用这些数据信息对实验室运行状况进行深入分析。针对当前高校实验室管理的国内外研究现状和物联网技术的发展,通过对实验室信息管理和监控相关问题的深入研究和对大连理工大学移动互联网实验室的实地需求调研,最终设计了这套基于物联网的实验室管理系统。本系统以数字化、网络化监控为基础,采用物联网技术和移动互联网技术相结合,实现自动化的信息管理和智能化的监控。本系统主要包括四个模块：负责数据采集和控制的无线节点；在整个物联网中起通信中枢作用,连接各无线节点与服务器的物联网网关；对数据进行分析、存储和显示的服务器；实现远程控制功能的移动终端。无线节点可以具体地分为以下三种类型：一是由ZigBee模块、传感器模块和报警器模块组成的无线节点,这类节点负责采集实验室内相关的环境信息,并通过报警模块提示环境出现异常,包括温湿度模块、PM2.5模块和光照模块；二是由ZigBee模块和控制器模块构成的无线节点,用于实现实验室的灯光和窗帘的智能控制,包括灯光模块和窗帘模块；三是由ZigBee模块和读卡器等构成的无线节点,这类节点包括门禁模块和签到模块,门禁还包括一个电机模块,用来完成验证成功后开门的控制,实验室的门禁系统突破了以往只通过刷卡开门常规模式,实现了终端远程开门和刷卡开门的双重控制模式。物联网网关由ZigBee汇聚节点和路由器构成,ZigBee汇聚节点汇聚来自各无线节点的数据,然后由路由器通过socket通信协议把数据传输给服务器,物联网网关是整个实验室监控系统的通信枢纽。服务器端保存数据到数据库中、响应请求并发送相应的控制命令。管理员可以通过网站服务器对实验室的各项数据进行查询和管理,也可以通过网站控制端对实验室内设备进行远程控制。移动终端是基于Android平台的手机客户端。手机客户端通过Http网络协议向实验室服务器发送相应的控制命令,比如开灯、开关窗帘、开门等命令,服务器接收到请求之后,向物联网网关发送命令,物联网网关收到命令后进一步将命令分发到指定的无线节点,由无线节点执行相应的命令。由ZigBee节点、传感器和报警器构成的无线节点会周期性采集实验室内相关的环境信息,如温度、湿度、PM2.5值、光照,通过ZigBee通信把采集到的数据发送到由ZigBee汇聚节点和路由器组成的物联网网关,物联网网关将数据信息发送到服务器端,服务器接收数据,保存数据至数据库,手机客户端可以随时向服务器发送请求,获取数据库中的相应数据,即使人员不在实验室也能对实验室中环境情况进行实时监测,当实验室内环境出现非正常状态时,报警器会随之响起,实验室安保人员能够及时捕捉到相应的信息,以便尽快采取救援措施,减少实验室的损失。基于物联网的实验室管理系统,从多个方面如温度、湿度等对实验室进行全天候集中监控,采用了全新的自动化的报警机制,使实验室的监控达到自动化、智能化的水平；该系统采用NFC读卡的方式,结合多重身份验证的方式实现开门和签到,保证日常出入实验室的安全,可以准确方便地统计实验室人员出勤情况；系统还采用移动互联网技术,通过手机App控制实验室内的灯光、窗帘和门锁,方便实验室人员的生活。另外,系统实现了对设备和人员的统一管理,大大减少了管理成本,弥补了全国高校实验室在自动化和智能化方面的不足,并创新性地使用多重控制的门禁系统,实现移动互联网技术与物联网技术的有机结合。该系统基本实现了高校实验室的需求,达到了商品化的标准,实现了对实验室信息管理的自动化和监控的智能化。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP311.52;TP391.44;TN929.5
【图文】：

体系结构图,体系结构,射频识别,感知信息

进行分析和处理，具有智能控制的能力。逡逑现在大家普遍把物联网分为三层，分别是应用层、网络层和感知层。物联网的分层逡逑体系架构如图２．１所示。逡逑；ｇ邋：邋［ｉｉｉｌｔ「远程，■丨智能家｜｜逡逑：用邋Ｉ邋．控逦疗邋＿逦‘；：居邋ｉｆ逡逑Ｉ■丨逡逑旧逦ｉｆｉｌｆｌ逡逑Ｉ？邋ｉ逡逑ｉ逦ｉ逡逑ｆ—？？？一．逡逑知：＿设备Ｉ邋；点：；；Ｉ备邋ｔ逡逑层邋Ｉ邋■逦ＴＺＺＺＺｉ邋篇＇Ｖ：逡逑图２．１物联网体系结构图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｙｓｔｅｍ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｌＯＴ逡逑２．邋１．邋２感知层技术逡逑感知层主要由一些感知模块（例如读卡器、传感器、ＲＦＩＤ射频识别和摄像头等）、逡逑组网模块（例如ＺｉｇＢｅｅ网络等）和控制器组成。感知层节点主要负责采集感知信息（例逡逑－５邋－逡逑

层结构

如温湿度、ＰＭ２．５、光照、视频、读卡信息等），并通过自组织无线传感器网络，把采逡逑集到的信息发送给网关，最终由网关把信息上传给上位机［９］。例如当前热门的智能家居，逡逑工业监控的应用都是懫用了这种技术。感知层结构图如图２．２所示。逡逑Ｃ邋互联网逦：逦？）逡逑＿．邋．邋Ｋｉｙ逡逑传感区域传感节点逡逑图２．２感知层结构图逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｙｓｔｅｍ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑２．１．３网络层技术逡逑物联网的网络层不同于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络的ＯＳＩ模型的网络层，物联网的网络层不仅包逡逑括互联网通信网络，还包括无线通信网络。任何接入互联网的操作都属于物联网网络。逡逑例如手机Ｗｉｆｉ、ＺｉｇＢｅｅ节点、智能家居网关等。逡逑２．１．４应用层技术逡逑应用层主要通过分析和处理感知层懫集到的信息，根据分析结果为用户提供便利服逡逑务，例如智能家居就是通过各种感知设备采集家居内部信息，从而为人们的家居生活提逡逑供便利的服务。物联网应用层处于最顶层，应用层直接服务于客户。开发人员可以通过逡逑订制，为客户提供各式各样的特定服务。应用层是整个物联网技术的核心，应用层技术逡逑的好坏直接影响物联网技术的发展和普及。逡逑２．２移动互联网技术逡逑２．２．１移动互联网技术概述逡逑近年来，随着互联网技术的发展，人们在生活、工作和娱乐等方面对互联网的依赖逡逑越来越不可缺少

移动互联网,互联网,移动网,体系结构

有智能手机、上网本、平板电脑等移动终端）通过无线网络，例如通过无线局域网逡逑（ＷＬＡＮ）、Ｗｉｆｉ、３Ｇ和４Ｇ等移动通信网，从而连接互联网，获取互联网信息的网络。逡逑移动互联网的体系结构如图２．３所示。逡逑ｆ邋娱乐（Ｈｔｔｐ逦Ａ逡逑新闻＇Ｉ邋Ｆｔｐ逦Ｊ逡逑ｆ邋电子商务：邋Ｊ邋Ｅｍａｉｌ等逦＼逡逑（邋等逦ｊ逡逑（邋互联网逡逑＾逦逡逑由器＼无逡逑图２．３移动互联网体系结构图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｓｙｓｔｅｍ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｏｂｉｌｅ邋Ｉｎｔｅｒｎｅｔ逡逑移动互联网是在移动网和互联网的基础上发展起来的。移动互联网不是另外创建一逡逑种新的网络，而是在现有网络的基础上，为用户提供移动互联网业务的网路与服务体系。逡逑移动互联网通过提供互联网移动接入的方式为移动用户提供互联网服务，移动互联网强逡逑大的管理控制和随时随地接入互联网的能力，能够为用户提供更具移动性的、安全可控逡逑的网络服务。移动互联网的发展，大大方便了人们的工作、生活和娱乐。逡逑－７邋－逡逑

【参考文献】