陈仁安, 郑新旺, 庄凤彬

(集美大学 实验管理中心, 福建 厦门 361021)

基于物联网的高校大型仪器设备智能管理系统研究

陈仁安, 郑新旺, 庄凤彬

(集美大学 实验管理中心, 福建 厦门 361021)

为了规范、高效和安全地管理高校大型仪器设备,为师生提供良好的科研创新平台,设计一种基于物联网技术的仪器设备智能管理系统总体方案,采用ZigBee技术搭建网络平台实现实验室环境监测,采用校园一卡通实现仪器设备智能管理,提高了实验仪器设备的综合管理效率。

智能管理系统； 物联网； 大型仪器设备

大型仪器设备是高等学校进行实验教学和科研工作的必需手段和重要物质条件,加强大型仪器设备的科学管理是保证教学质量和提高科研水平的重要工作[1]。大型仪器设备价格昂贵,作为社会稀缺资源,其配置、管理和使用一直受到高校和社会各方面的关注[2]。随着高等教育事业的蓬勃发展,高校大型仪器设备数量不断增长,如何发挥这些优质设备资源的作用,提高仪器设备的使用效益,使大型仪器设备在支持高水平科学研究、培养高素质人才、推动学科建设方面发挥积极作用,已成为各大高校研究探讨的热点问题[3]。

传统的大型仪器设备管理基本上采用人工管理,这种管理模式需要投入大量的人力和时间来实现仪器预约、监管执行、机时统计等日常事务,设备利用效率低、信息采集困难、动态管理困难[4]。物联网是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[5-6]。现在广泛应用于智能交通、智能家居、运输跟踪、安防等领域。ZigBee作为当今最热门的无线传感器网络技术之一,以其低功耗、低成本、组网自适应、网络容量大等特点,已经被广泛应用于自动控制和监控领域[7-9]。在这样的背景下,提出了基于物联网的设备智能管理模式,实现实验室环境的实时监控、设备信息的全局管理、仪器设备信息的动态管理。

1 设备智能管理系统基本组成

设备智能管理系统主要包括环境管理模块和设备管理模块(见图1)。

图1 设备智能管理系统组成框图

智能管理系统的环境管理模块采用ZigBee技术实现视频采集、防火、防盗、门禁系统等远程控制和监测。基于大学校园基本建设了校园一卡通,设备管理模块共享一卡通数据中心人员信息,建立一个实验室大型仪器设备管理系统独立专网,并将应用服务器、数据库服务器、门禁系统联入网中,实现大型仪器设备的管理。

1.1 环境管理模块

该模块主要包括视频、温湿度等信息采集,电源、照明等集中控制。实验室的安全、防火、防盗、门禁系统等都可以远程实现对其进行控制和监测。

1.2 设备管理模块

该模块包括信息发布及日常管理。用户通过访问系统的网站了解实验室管理规则、设备情况,在开户后就可预约使用。管理人员在收到用户的预约申请后进行审核,并将审核结果通知用户。系统通过门禁系统记录用户使用设备的时间。信息发布主要有开户申请、预约申请、信息浏览、信息查询等。日常管理主要有开户管理、预约管理、查询统计和参数设置等。

2 系统设计方案关键技术

2.1 环境管理模块的设计实现

2.1.1 ZigBee技术简述

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。优点是省电、简单、成本低。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)。主要应用领域包括无线传感器网络、数据采集、工业控制、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等[10-11]。

2.1.2 硬件结构

根据大型仪器设备环境管理的需要,选择1个网络视频系统(NVS)网关,选取相应ZigBee节点设备,完成视频采集、电源插座管理、设备进出入管理、门禁考勤、无人值守红外安全防盗等功能(见图2)。

图2 环境管理模块硬件结构图

(1) 物联网视频网关：单路NVS网关,支持1-4路视频IP传输、支持CMRTP/RTCP协议、支持ZigBee协议、可实现对ZigBee控制节点的控制、可实现对ZigBee传感节点的信号采集；

(2) 壁挂式红外检测器：安装墙壁上,检测区域内热释电,通过ZigBee发送给NVS网关,对区域内的非法闯入发出报警信号；

(3) 吸顶式红外检测器：固定设备非法移动检测；

(4) 幕帘式红外检测器：门窗非法进入检测；

(5) 烟雾检测器：检测区域内烟雾浓度,通过ZigBee发送给NVS网关,对区域内的火灾发出报警信号；

(6) 温湿度检测器：检测区域内温度、湿度；

(7) 声光报警器：通过ZigBee接收NVS网关发来的信息,实现本地报警功能,吓阻入侵者；声光报警器通过校园网以短信,彩信或者网络报警形式上传系统管理员；

(8) 一键布防：无线遥控按钮,配合ZigBee NVS网关对安防系统实现开启、关闭。

2.1.3 基于ZigBee的无线节点控制实现

系统中各节点的操作及信息采集的接口是由Libiot开发包实现,采用动态链接库技术(libiot.dll),基于模块式编程的理念,实现了物联网的接入,包括服务器的连接、对物联网节点的操作与数据采集等功能。应用系统二次开发能够对各节点采集的信息进行分析、处理,并根据决策算法对报警、异常等重要信息及时管控。

用户与模块的交互包括命令的发送、状态及数据的接收。基本的操作流程包括以下几点：

(1) 应用程序通过调用接口来使用模块提供的功能；

(2) 应用程序与模块通过XML文件来交换数据；

(3) 模块通过消息通知应用程序数据已更新；

(4) 应用程序收到消息后从XML文件中读取数据。

模块调用流程如图3所示。

图3 模块调用流程图

节点操作控制的具体数据走向如图4所示。操作命令由客户端发送,经由服务器、NVS网关、节点中心、协调器等后到达节点,在命令传送的过程中,每级都有命令传送状态的反馈,表示该层已经成功接收并验证该指令。

图4 节点操作数据走向图

节点成功执行命令后会给客户端反馈执行后的结果,使客户端能够得到节点的当前状态或数据。节点返回执行指令后的状态如表1所示。

表1 节点执行指令后的状态

例如Libiot中提供的电源控制节点相关操作有CM_IOT_POWER_QueryStatus(电源类节点的状态获取)和CM_IOT_PowerCtrl(电源类节点的操作),其中CM_IOT_PowerCtrl 的函数定义如下：

int __stdcall CM_IOT_POWER_Ctrl( CM_HANDLE hCM,//CM_Init返回的句柄 ULONG ulNvsID,//NVSID号 ULONG ulNetID,//协调器的网络号 ULONG ulNodID,//节点地址 int nOpCode //操作码,1打开,0关闭 );

在具体应用实现基于zigbee的无线电源控制时,程序依托图3的模块调用流程开发设计,具体执行中通过读取设备xml文件、获取设备netid和nodeaddr,对其执行节点操作函数(CM_IOT_POWER_Ctrl),然后通过查询的返回值(见表1)来判断电源控制操作是否成功执行。

2.2 设备管理模块

设备管理模块共享校园一卡通数据中心,建立一个实验室大型仪器设备管理系统独立专网实现设备的管理,模块主要包括信息发布及日常管理。

2.2.1 网络结构

实验室大型仪器设备管理网络主要涉及3个网络：一卡通专网、校园网、实验室大型仪器设备管理系统专网[12]。

(1) 一卡通专网：共享数据库存放与一卡通数据中心同步的人员身份信息。

(2) 校园网：用户通过校园网访问应用服务器进行开户、预约,设备管理工作站通过校园网将预约结果反馈给用户。

(3) 实验室大型仪器设备管理系统专网：为了增加网络的安全性,建立一个实验室大型仪器设备管理系统独立专网,并将应用服务器、数据库服务器、门禁系统联入网中。应用服务器负责网站管理,接收用户预约信息,与一卡通数据中心进行比对；数据库服务器与一卡通身份数据库连接,存储设备的相关信息,包括设备的使用时长,使用年限,相关人员对设备的使用情况,设备对内对外的费用金额,设备的年份、型号等数据；门禁管理系统包括用户进出入实验室大门刷卡,记录用户在实验室的时间。

2.2.2 系统设计

设备管理模块主要包括信息发布和日常管理。信息发布包括：

(1) 用户登录系统可查询实验室设备管理相关规定；

(2) 查询设备相关信息,包括设备购买日期、制造厂商、设备性能及特点；

(3) 利用信息发布系统,可预先熟悉设备操作规程；

(4) 可查询设备空闲时间；

(5) 查询相关的收费标准；

(6) 可进行预约申请及取消。

日常管理信息包括：

(1) 管理人员审核确认预约信息；

(2) 用户在登录后可发表设备的使用情况；

(3) 对设备的使用情况、使用时长等相关的数据定期进行备份；

(4) 在实验室大门设置门禁系统。预约用户刷卡可进入实验室,离开时刷卡开门离开。门禁系统记录用户进入时间和离开时间作为设备使用时间；

(5) 管理员可统计汇总机时利用、费用明细等。

3 系统应用

集美大学诚毅学院投资1 000多万元建设航海船舶操纵模拟器实验室,配备符合《STCW78/95公约》、挪威船级社(DNN)A级标准及国家海事局相关规定的航海模拟器,是国内第一家360°视景、最先进的航海模拟器。主要承担航海类学生专业教学训练,并可开展高级船员培训、项目论证及科研开发。模拟器运行对环境有一定的要求,特别是温度、湿度、烟雾等,同时需要具备防火、防盗等功能。将大型仪器设备智能管理系统应用于航海船舶操纵模拟器实验室,系统实时控制和监测实验室的温度、湿度和烟雾,提高了实验室的安全性。同时系统一方面具备预约、查询、参数设置等功能,另一方面可以方便地实现大型仪器设备效益评价指标统计,包括机时利用、人才培养、科研成果、功能利用与功能开发、服务收入等几方面[13]。系统的应用提高了大型仪器设备的使用效率,以及实验室管理人员的管理效率,保证大型仪器设备的安全。

4 结语

基于物联网的大型仪器智能设备管理系统能够帮助实验室管理人员便捷高效且更安全和实时地对实验室设备进行监控和管理。能够有效地防止实验室设备常见的一些危险操作和设备失窃等现象,实验室设备的使用、实验室环境情况等也能做到有据可查。同时,该系统具有较高的通用性,不仅适用于高校的大型仪器设备的管理,还能应用到其他类型实验仪器设备的管理,通过简单的修改也能应用到高价值设备众多的生产性企业中去。

References)

[1] 曾荣华,罗一帆,郑启明,等.高校大型仪器设备维护、管理的探讨[J]. 实验科学与技术,2009,7(5):139-141.

[2] 苟在康.提高大型贵重仪器设备使用效益的有效措施[J].实验科学与技术,2007,5(3):135-136.

[3] 蔡兵,刘姝伶,尹玲娜,等.高校大型仪器设备开放共享的实践与探索[J].实验室研究与探索,2014,33(2):259-263.

[4] 杨子祥,李春青,聂敬云.大型仪器设备管理控制系统[J].电脑知识与技术,2013,27(9):6189-6193.

[5] 刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社,2010:1-30.

[6] Gustavo R G,Mario M O,Carlos D K. Early infrastructure of an Internet of Things in Spaces for Learning[C]. Eighth IEEE Intemational Conferenc on Advanced Learning Technologies,2008:381-383.

[7] ZigBee Aliance. Network specification(draft version 1.0) [EB/OL].(2012-02-12). http:// www.zigbee.org.

[8] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2002:1-26.

[9] 张宏峰,李文峰.基于ZigBee 技术无线传感器网络的研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2006(8):12-15.

[10] 郭渊博,杨奎武,赵俭，等.ZigBee技术与应用[M].北京：国防工业出版社,2010：6-12.

[11] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2009：27-53.

[12] 傅毅.高校实验室贵重仪器设备共享管理平台建设[J].衡水学院学报,2011,13(1)：81-84.

[13] 朱玲,季振国.高校大型仪器设备效益考核中应注意的几个问题[J].实验技术与管理,2013,30(9)：228-230.

Research on intelligent management system of university large-scale instruments and equipment based on Internet of things

Chen Renan, Zheng Xinwang, Zhuang Fengbin

(Experimental Management Center,Jimei University,Xiamen 361021,China)

In order to standardize,efficiently and safely manage university large-scale instruments and equipment,and provide a good scientific research and innovation platform for teachers and students,an overall plan for an intelligent management system for instruments and equipment based on the technology of Internet of things is designed. By using ZigBee technology to establish a network platform,the laboratory environment monitoring is realized. By using the campus card,the intelligent management of the instruments and equipment is achieved so as to improve the comprehensive management efficiency of the experimental instruments and equipment.

intelligent management system; Internet of things； large-scale instruments and equipment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.068

2016-11-10

福建省教育厅教育科研项目(JA13374)

陈仁安(1970—),男,福建漳平,硕士,高级实验师,集美大学实验管理中心主任,主要研究方向为大学物理、无线电技术.

E-mail：rachen70@163.com

TP315

A

1002-4956(2017)4-0268-04