摘要：针对目前实验室由人工管理而引起的低利用率以及存在安全隐患等问题，设计并实现了一种基于物联网感知的智能实验室控制系统。为了实验室管理员能在移动端随时了解实验室的相关环境状态并对实验室设备进行远程操控，本课题构建了基于物联网感知的实验室控制系统，包含环境检测、后台管理系统和门禁设置三大模块。结合传感器技术、RFID技术、物联网网关技术和WiFi技术等，系统可以在环境监测模块对实验室的环境参数进行实时的监测、采集和分析处理，在服务器端可以控制实验室照明的开关等，实现了物联网实验室的智能化、可控化，且集成化程度较高。本系统能够有效利用实验室资源，实现人力资源的节省和合理分配，改善实验室环境，且在一定程度上减少能源的消耗，对科研人员研究效率和实验室利用率的提高以及我国科研事业的发展起到了积极的作用。
关键词：智能实验室；智能控制；物联网感知；监测；智能化；可控化
0引言
以往传统实验室需要人工管理和操作，并且缺乏一套完整的管理制度与整体规划。随着科研人员实验需求的不断增加，传统实验室可能会对实验工作产生一定的制约，相关信息的滞后、管理效率相对较低的问题也就随之而来。如果全部依靠人工来管理实验室，那么在实验室的设备使用情况、实验室的安全保障管理、人员的参与程度与实验室的开放程度等方面都会耗费很大的精力[1-8]。国家对于教育事业与科研事业的重视程度逐渐加大，信息技术的发展也为实验室智能化提供了强大的动力与支持，逐渐形成了“物联网实验室”这一新兴的实验室模式。“物联网实验室”将传感器技术、物联网网关技术、通信技术、无线传感网络技术等发展迅速的信息技术相结合，在这种实验室运行模式下，实验室中传感器可以实时采集实验室环境数据，这些数据通过物联网网关上传，服务器对接收的数据进行分析、处理、保存，实验室管理员可以直观地看到实验室的环境数据[9-12]。在这样的管理方式下实验室管理员可以根据数据来判断是否需要进行一些必要的操作，如果需要对实验室相关设备进行操作，就可以直接通过服务器端进行远程操控，同时可以控制相关设备进行自动调节，实现了实验室环境的可视化与操作远程可控化。这样的工作模式对于实验室管理与建设都有着十分重要的意义。实验室的智能化能够使实验室的环境得到很好的改善，更加有利于实验人员进行实验研究，从而提高实验的效率。在一定程度上也能够减少能耗，提高环保效果[13-15]。本课题构建的基于物联网感知的智能实验室控制系统，将传感器、无线数据传输、WiFi等技术与实验室相关设备相结合，采集实验室中的环境参数，例如温度、湿度、烟雾浓度等信息，连接到WiFi的传感器将数据发送到手机端APP，服务器端对上传的数据进行接收和存储，以直观的方式展示给实验室管理员，实验室管理员能够实时看到实验室内环境参数，并控制实验室设备。学生在进入实验室之前需要进行门禁刷卡；在工作的状态下可以对烟雾浓度的数据进行分析，存在危险因素时可以及时报警。在这样的模式下，能够提高实验室管理员的管理效率，减轻管理员的管理压力；也能够在加大实验室开放程度的同时保障安全。
1系统整体框架
1.1硬件框架
本次系统的硬件部分可以分为6个模块，分别是为各个工作模块进行供电的供电模块、能够实时采集实验室环境数据的传感器模块、收集数据并向服务器端发送数据的网关模块、数据显示模块、报警模块以及门禁模块。硬件框架的模块如图1所示。
1.2服务器框架
网关模块作为智能实验室控制系统硬件的一部分，可以通过无线通信技术中的WiFi技术连接网络，然后将传感器采集的实验室环境的实时数据上传到服务器中，服务器端有相对应的显示界面，实验室管理员可以在显示界面中看到相关的参数数据，并能够在界面控制灯光的开关，实现了对实验室环境参数的实时查看。服务器框架流程如图2所示。
2系统设计
2.1环境监测
本课题实现的基于物联网感知的智能实验室控制系统，需要将传感器采集到的相关数据上传到服务器页面，让实验室管理员能够直观地对实验室进行监测。在学生或者实验人员进入实验室之前，本人可以使用身份识别卡进行刷卡，解开门禁后进入实验室。这样就可以提高实验室的使用效率与开放程度，实验人员可以在需要的时候自由进入实验室，不用等待实验室管理员的到来。在手机移动端有一个服务器用来接收与存储传感器所传输的相关数据，并且能够保存；实验室管理员能够在手机端的页面中随时查看实验室的相关数据。具体技术路线如图3所示。本次研究课题实现的智能实验室控制系统的硬件框架模块的功能如下：（1）供电模块：给开发板以及系统中工作的各传感器提供电力支持，使用数据线直接连接电源进行工作，工作电压为5V。（2）传感器模块：实时采集实验室环境相关数据，包括空气温湿度传感器、烟雾传感器。（3）显示模块：将传感器所采集到的数据在OLED屏幕显示。（4）WiFi模块：为设备与移动端的连接提供支持。（5）报警模块：采用蜂鸣器对于相关数据参数进行监测报警。（6）门禁模块：进入实验室前需要进行刷卡，经过身份识别后进入实验室。
2.2服务器系统功能设计
服务器系统功能相对比较全面。本课题要实现对实验室相关数据的显示；对实验室温湿度、烟雾浓度的监测；对烟雾浓度超过阈值的报警；对采用门禁卡打开门禁等模块的相关设计。服务器系统功能模块如图4所示。
3系统实现
3.1系统硬件搭建流程
3.1.1搭建外部环境
将模型整体、传感器和开发板等通过串口与电脑连接在一起，准备设置开发板需要连接的WLAN以及程序的烧写。
3.1.2配置开发板的WLAN热点
在连接完成后，配置开发板的WLAN，设置开发板需要连接的无线局域网或者手机热点。
3.1.3通过串口烧写程序
将硬件设备与电脑连接完成后，在电脑端通过串口将已经编写好的程序烧录进开发板，同时观察开发板的响应情况。
3.2系统服务器登录
实验室管理员可以在手机端通过输入账号、密码、验证码登录服务器，查看实验室相关数据。服务器登录页面如图5所示。
3.3手机移动端主要功能
手机移动端的主要功能是对相关传感器所采集并上传的数据进行接收、分析、存储，在服务器界面向实验室管理员显示相关数据，同时还能控制实验室内灯光的开关。
3.3.1数据收集功能
在手机移动端APP页面，服务器可以对传感器采集的数据进行收集、分析、整合和存储。
3.3.2展示功能
实验室管理员可以在手机端APP界面中实时查看实验室环境相关的数据。
4服务器端管理与控制
4.1开关控制
以灯光开关控制为例，在服务器页面点击“ON”按钮开启照明。照明系统开启过程如图6所示。照明系统开启后硬件设备系统上的照明提示灯亮起。
4.2系统服务器界面运行成果
系统服务器界面整体运行效果如图7所示。图中显示了智能实验室控制系统实时采集的室内环境参数数据，如温度、湿度、烟雾浓度以及系统整体电压等相关数据。
5结语
本文在传统实验室建设与使用的基础上提出一种基于传感器技术、WiFi技术、物联网网关技术的实验室管理与控制系统。针对实验室管理员在管理过程中耗费过多精力、实验室环境对研究人员的影响等问题，设计出智能化的系统解决方案，使实验室管理员能够在移动端随时了解实验室的相关环境状态，并对实验室内一些设备进行远程操控。在这样的管理模式下可以减轻实验室管理员的压力，节省一定的精力，实现实验室的智能化、信息化、可控化，为研究人员提供强有力的保障与服务；还能够加大实验室的开放程度，提高安全保障以及研究人员使用实验室的效率。
作者：李雨鑫 解迎刚 孙锦 李昊达 崔英花 单位：北京信息科技大学 信息与通信工程学院
