黄雅婕，张秀山，史蓓蕾

(海军工程大学 计算机工程系，武汉 430033)

0 引 言

1999年，Kevin Ashton教授首次提出了物联网(IoT)的概念，他指出IoT是采用射频识别技术(Radio-Frequency Identification, RFID)唯一可辨识、可共同使用物体与物体相互连接的信息网络。然而，IoT的准确定义随着前景的发展不断改变。IoT一般定义为：自我配备基于标准和可共同操作的通信协议的动态全球网络基础设施；在IoT中，现实和虚拟物品都拥有身份与属性，且可使用智能接口和集成为信息网络[1-2]。随着条形码、智能传感、近场通信和云计算等技术的发展，物联网技术逐渐运用到环境监测、智能家居和电网等，它使得信息在彼此关联的系统间进行共享，提高了系统的可靠性、有效性和持续性[3]。

近年来，高校实验室管理缺少有效的监测和感知手段，导致实验设备、环境信息和人员监管效率低下，实验室自动化和智能化水平不高[4-5]。随着物联网技术的普及，基于物联网的实验室信息管理和智能监控系统变得现实可行[6-10]。文献[11]中针对环境感知和收集缺失、设备无法远程控制等不足，提出一种实验室综合管理系统。文献[12]中主要从信息管理和自动监控角度设计和实现了实验室管理系统，并对各个子模块功能进行了测试和验证。针对当前实验室外界环境信息无法实时监测和响应，本文设计和实现了一种基于物联网的实验室管理系统，通过光纤环网方式，将RFID、红外报警视频、实验室水电消耗情况等信息上传至中央服务器，组成一个C/S架构[13]，形成集中控制模式。设计的系统能够实现对实验室资源可视化共享与管理，根据中央服务器生成的报表、曲线和数据包等可进行后续分析和查证。

1 系统总体方案

系统设计的原理示意图如图1所示。基于物联网的实验室管理系统分为3个层面[1]：数据采集系统为感知层，由ZigBee[1-2,14-16]、光纤环网组成的通信链路为网络层，中央服务器及其上位机为应用层。为有效监控实验室基础设施，如电能表、水流表和实验室仪器设备等，避免能源浪费和维护实验室安全稳定，分别对水流量、电量和视频数据采集，利用光纤环网、ZigBee技术和超5类网线将数据传输到中央服务器。其中，由光纤交换机组成的光纤环网将感知层的信息转化为网络信息，具有可扩展性大、系统稳定性强的特点。在中央服务器上，利用组态软件读取监测的实时数据和生成报表记录。而对于门禁管理系统模块，它对人员出入进行安全控制并记录签到情况。

图1 基于物联网的实验室管理系统结构图

为验证功能的可靠性与完整性，分别在5个实验室机房安装了自动识别光纤且带红外报警功能摄像头。在各机房和总电房加入1路电能表。在洗手间内加入水流量计。中央服务器位于控制室内，里面设有中央控制柜，以及工控机操作台。1路RFID及M1卡在中央控制柜内。控制柜内设有硬盘录像机、PLC、RFID和光纤交换机等电气设备。

2 数据采集

数据采集模块部分可视为物联网的感知层，它实现对环境、水电、门禁和实验人员等信息采集功能。根据实验室管理需求，系统采集的外部环境数据主要包括电量、水流量和视频等，数据集中传输到中央服务器后，对数据进行显示和分析处理。

2.1 电量采集

电量监测的功能主要是获取实验室的用电情况，① 生成报表及按照需求统计用电情况，② 实时监测并对实验室用电突发情况做出处理。为达到此目的，在实验室中装有专用电能检测电气箱，通过互感器将电气箱中的电流信号传至电力仪表，这就完成了常规电能信号的采集。

在电力仪表端，通过自带的RS-485串口协议传送至ZigBee模块。在此，考虑到ZigBee技术低功耗、低成本和可靠性、扩展性优点，因此，适合多个实验室电量无线传输的情况。在ZigBee终端，将数据编码以符合电能表通信所需的波特率、校验码、奇偶校验和数据位等。ZigBee协调器自带协议转换功能，将通信转换为TCP/IP协议格式，通过路由器进入光纤环网。

2.2 视频采集

系统设置有多个独立视频监控节点，利用红外摄像头及客户端软件实现视频数据的采集与传输，如图2所示为传输过程示意图。在上位机，即视频信息集成中心部分，一方面将初始化参数分发给各个独立视频节点，另一方面利用组态软件通过访问各自IP地址，以达到访问监控画面的目的。

图2 独立节点与集成中心视频数据传输

视频数据完成采集后，集中送至集成中心统一处理。首先，视频信号传入到中央控制柜交换机内，集成后均为电口。接着，利用光纤交换机转为光口进入光纤环网。为了能够在后期调用历史数据回看，利用硬盘录像机在同一网段内访问并记录各摄像头数据。

2.3 水流量采集

水流量采集与处理主要实现了实时监测实验室用水安全情况，主要由流量计构成核心功能模块。系统中，在两个洗手间管道上配有旋进漩涡流量计。如图3所示为设计原理图，旋进漩涡流量计是种自动计量型流量计，单孔流量可实时监测水流变化，并在监控界面显示。在检测到水流量后，流量计上的DAC电路将数字量转换成电流信号的模拟量约4～20 mA，换算为水流约0.6～6 m3。为能远程读取流量计的数值，将变送电流送至采集仪表。在采集仪表中，采集的流量数据传至PLC控制器主站，通过串口服务器将数据转换成PPITCPIP协议，进入光纤环网。

图3 旋进漩涡流量计的水流量采集

2.4 门禁信息采集

门禁系统采集器利用RFID射频技术识别目标并获取其相关信息。门禁采集系统主要由3部分构成：标签，读卡器和天线，其中标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；读卡器是读取或写入标签信息的设备；天线则在标签和读取器间传递射频信号。

门禁采集的工作流程如图4所示，一旦装有RFID技术的读卡器检测到一定范围内的标签信号，即与上位机中的出入数据库中的信息比对。当数据满足条件时，发送命令给PLC控制相应设备。与传统的接触卡片式门禁采集系统相比，设计的系统避免了繁琐的人工操作，更加智能化。

图4 门禁采集系统工作流程图

3 通信链路和上位机管理

通信链路和上位机在系统中分别担负着网络层和应用层的角色，其中通信链路提供监测设备与中央服务器的通信连接，上位机负责对数据的采集和人机交互的实现。

在设计中，通信链路主要采用光纤环网的方案。使用多个交换机以及电口转光口设备，将各类信号转为电口以太网后，再转为光口。在网络任何位置均能访问其他节点的网络设备，大大地增加了系统的扩展性。接着，将所有通信协议转换为TCP/IP形式，再利用光纤收发器将所有以太网设备连接起来，组成光纤环网。而在各个子模块，根据不同设备采用不同工业协议，如AIBUS通信协议，MODBUS协议等。

上位机则为三层结构，分别为用户界面(User Interface, UI)层、业务逻辑层和数据服务层。上位机架构程序主要采用基于MVC模式结构的实现，MVC模式分为3个部分：模型(Model)、视图(View)和控制器(Controller)。本系统中，将光纤环网来的各模块数据、输出显示界面和中央服务器的处理与控制作为MVC的衍生模式，以C++语言编写MFC作为主界面和控制器。

4 系统功能实现

如图5所示为搭建的基于物联网的实验室管理硬件平台。在实际印证过程中，在计算机陈列室、计算机组成原理室和微机原理与接口室等5处实验室均接入了电能表和摄像头，在2个洗手间内加装水流量计。在独立的中央控制室内，放有中央服务器及PLC、RFID、光纤交换机等设备。

图5 物联网实验室硬件平台结构图

软件功能实现，如图6为显控主界面所示，主要从电能、水流量监测，安防监控系统和出入管理系统几个功能分别进行调试。以出入管理系统为例，它涉及到数据库、PLC和界面编程。首先需要对卡授权以“允许进入”，并录入相关人员信息到门禁管理数据库中。在软件界面中，可实时检测到人员进出，且可回看出入记录。当遇到非法闯入或无效卡时，系统自动报警并记录异常事件。

图6 物联网实验室管理软件界面

5 结 语

着眼于当前实验室管理的不足，设计和实现了基于物联网技术的智能化管理系统。根据实际需求，分别对3个层面不同模块的功能和设计原理进行了说明，重点详述了感知层的采集系统。最后对系统的功能进行了介绍，印证了提出的方案的可行性。该系统对实验室实现更加精细化管理，且在资源配置和便捷管理方面具有广阔的应用前景。下一步将引入更多的实验室元素到该系统中，做更全面的应用扩展。