基于arduino和機(jī)智云的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測領(lǐng)域長期存在著耗費(fèi)人力、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測查看不便及相關(guān)檢測設(shè)備不易維護(hù)等問題,針對(duì)這些問題提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的解決方法。使用Arduino板和多種傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上傳到機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái),進(jìn)一步發(fā)送到本地Python服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫,并在手機(jī)安卓應(yīng)用端顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明管理員和檢查員可對(duì)實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)隨地接收異常信息提醒,查看實(shí)驗(yàn)室每日及每周歷史數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)可以減少實(shí)驗(yàn)室人力、遠(yuǎn)程管理、方便維護(hù)。

引言

許多高校實(shí)驗(yàn)室安裝了火警系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)大多安裝后無法及時(shí)查看是否已損壞,在發(fā)生事故時(shí)系統(tǒng)的預(yù)警、處理等不如預(yù)期,且系統(tǒng)安裝成本高昂,布線復(fù)雜。大多環(huán)境監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)采用PC端接收查看服務(wù)器端傳來的數(shù)據(jù),當(dāng)管理員外出或者不在電腦前時(shí),便無法實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理帶來一定不便。

當(dāng)前各國高度重視物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇,大力推進(jìn)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。國內(nèi)外利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測的有關(guān)文獻(xiàn)不多,且沒有給出詳細(xì)的實(shí)施方案。文獻(xiàn)[1]提出利用Onenet平臺(tái)管理實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和預(yù)約,實(shí)驗(yàn)資源利用率明顯提高,不足在于該平臺(tái)與登錄網(wǎng)站的連接開發(fā)難度大,系統(tǒng)操作步驟無圖展示。

文獻(xiàn)[2]介紹了實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品管理現(xiàn)狀,采用人臉識(shí)別和語音交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)微信智能客服,但是沒有進(jìn)一步具體方案說明。文獻(xiàn)[3]利用Arduino和傳感器設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)和管理員端,可以完成簽到、監(jiān)控,無遠(yuǎn)程管理功能。文獻(xiàn)[4]將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合,提出相關(guān)設(shè)計(jì)思路,但沒有系統(tǒng)手機(jī)端和PC端應(yīng)用展示。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上,將傳感器技術(shù)、無線通信、云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng),利用Arduino上多路外設(shè)傳感器模塊,如實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、門的開合、空氣質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測并采集相關(guān)數(shù)據(jù),成本較低。通過WiFi無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái),無需網(wǎng)絡(luò)布線。進(jìn)一步傳輸?shù)奖镜豍ython服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫,輕量化,方便開發(fā)。管理員安卓手機(jī)應(yīng)用連接到數(shù)據(jù)庫,可隨時(shí)查看動(dòng)態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、及時(shí)處理。

1 實(shí)驗(yàn)室檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1云服務(wù)平臺(tái)的選擇

微軟、IBM、亞馬遜、百度、阿里、華為等產(chǎn)業(yè)巨頭先后推出物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析服務(wù),例如谷歌發(fā)布Android Things,亞馬遜推出Amazon AWS IOT,中國移動(dòng)自主開發(fā)Onenet開放平臺(tái),京東、360等企業(yè)也在積極開展物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)[5-6],其中機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有著獨(dú)到優(yōu)勢,提供了從定義產(chǎn)品、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)測、云端開發(fā)、運(yùn)營管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等覆蓋智能硬件接入到運(yùn)營管理全生命周期服務(wù)的能力。

對(duì)于各類無線通信芯片均有良好的兼容性,且在機(jī)智云淘寶店的WiFi模組中已經(jīng)移植好了底層程序GAgent,可以直接使用機(jī)智云官方應(yīng)用配置連接并傳輸數(shù)據(jù)。機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)提供了許多方便開發(fā)的服務(wù)功能,例如可以在網(wǎng)頁上遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)試設(shè)備,對(duì)于開發(fā)者來說十分便利,因此選擇機(jī)智云作為云服務(wù)平臺(tái)。

1.2硬件功能及設(shè)計(jì)

在硬件上由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)室至少布置一個(gè)節(jié)點(diǎn),高校實(shí)驗(yàn)室數(shù)量較多,因此需要考慮成本。節(jié)點(diǎn)采用Arduino Atmega328p主芯片,擁有模擬輸入通道6路,數(shù)字I/O通道14路,易擴(kuò)展,可以驅(qū)動(dòng)多路外設(shè)傳感器,來對(duì)實(shí)驗(yàn)室的各類環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。

監(jiān)測溫濕度的傳感器選擇DHT11,能夠同時(shí)監(jiān)測溫度和濕度這兩項(xiàng)參數(shù)。監(jiān)測門開合狀態(tài)選擇一款可調(diào)有效距離的紅外傳感器,通過在一定距離下監(jiān)測是否有遮擋物就可判斷門的開合狀態(tài),若有遮擋物則表示門在打開,反之若沒有則表示門已關(guān)閉。監(jiān)測空氣質(zhì)量的傳感器選擇MQ135,在實(shí)際中廣泛使用,對(duì)煙霧、硫化物、氨氣、苯等有害氣體較為靈敏。水位傳感器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)電壓傳感器等不再贅述[7-8]。設(shè)置好對(duì)應(yīng)I/O口驅(qū)動(dòng),采集數(shù)據(jù)的頻率,然后將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正、封裝處理。

傳感器數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸?shù)紸iot開發(fā)平臺(tái),機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持WiFi、4G、Wi-Fi +藍(lán)牙模組，WiFi+NFC模組通信方式,例如樂鑫esp8266、中移，移遠(yuǎn)等?？紤]到通信數(shù)據(jù)量和后續(xù)功能擴(kuò)展,選擇ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[9-10]。

機(jī)智云平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后,傳輸?shù)焦芾韱T手機(jī)應(yīng)用端,進(jìn)一步保存到本地服務(wù)器,因此使用固定IP地址以便手機(jī)應(yīng)用端訪問,數(shù)據(jù)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫。本地服務(wù)器對(duì)檢查員發(fā)送的查詢請求進(jìn)行回應(yīng),并從數(shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)信息返回給檢查員。

1.3軟件功能及設(shè)計(jì)

Python語言相較于其他編程語言,具有開發(fā)速度快、代碼量少、使用方便及內(nèi)部類型使用成本低等顯著優(yōu)勢。MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,兼容性優(yōu)良,使得搭建本地?cái)?shù)據(jù)庫并進(jìn)行關(guān)聯(lián)更為簡便、快速[11-12]。因此采用Python語言來實(shí)現(xiàn)本地服務(wù)器的行為邏輯,數(shù)據(jù)庫采用MySQL。本地服務(wù)器主要功能:1)配置管理員和檢查員賬號(hào)密碼,分配不同檢查員到不同實(shí)驗(yàn)室;2)接收管理員應(yīng)用發(fā)來的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫;3)接收檢查員應(yīng)用查詢數(shù)據(jù)請求,從本地?cái)?shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)數(shù)據(jù)并返回。

安卓手機(jī)應(yīng)用有兩種身份權(quán)限:管理員和檢查員,通過登陸賬號(hào)進(jìn)行區(qū)分[13-15]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

管理員主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)硬件,功能主要為:1)與機(jī)智云平臺(tái)連接,接收每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的Arduino傳感器所采集到的數(shù)據(jù);2)分辨數(shù)據(jù)來自于哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行封裝處理,將這些處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給本地服務(wù)器;3)讀取本地服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并利用。

檢查員主要負(fù)責(zé)查看自己所負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的情況,若實(shí)驗(yàn)室有異常情況及時(shí)處理,功能主要為:1)訪問服務(wù)器讀取賬號(hào)密碼相關(guān)信息,成功登錄后將根據(jù)賬號(hào)來判斷管理區(qū)域;2)查詢并接收管理員傳送到服務(wù)器的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分辨屬于哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)室并動(dòng)態(tài)顯示出來;3)若數(shù)據(jù)異常,則發(fā)送報(bào)警消息提醒檢查員;4)最后根據(jù)相關(guān)信息生成歷史數(shù)據(jù)曲線,從而對(duì)整體情況有更好的把握。

圖1 系統(tǒng)框架

2 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1手機(jī)應(yīng)用軟件

登錄功能是在點(diǎn)擊登錄按鈕的時(shí)候,先將填寫的賬號(hào)信息發(fā)送給本地服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證,之后將接收到的服務(wù)器信息作為message消息發(fā)送到handler中進(jìn)行處理。賬號(hào)信息錯(cuò)誤則進(jìn)行提示,若賬號(hào)正確則在handler中再次向服務(wù)器發(fā)送密碼信息。如此反復(fù)驗(yàn)證,直至賬號(hào)密碼皆正確則可進(jìn)入下一頁面,系統(tǒng)登錄界面如圖2所示。

圖2 登錄頁面

在登錄成功后,根據(jù)賬號(hào)判斷屬于管理員還是檢查員。以檢查員為例,進(jìn)入指定的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測區(qū)域列表頁面,在此頁面中不斷向服務(wù)器查詢本人所負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)室信息,并將信息保存到手機(jī),然后判斷這些信息是否正常,若有異常則采用頂欄消息通知的方式對(duì)檢查員進(jìn)行提醒。圖3所示為某檢查員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室選擇頁面,檢查員賬號(hào)不同,這里的選擇頁面也不同。

動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)功能,是在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)查看頁面后,開一個(gè)新線程讀取本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)以message的形式發(fā)送給handler,handler接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理并動(dòng)態(tài)更新,在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)把該數(shù)據(jù)字體變紅以提醒檢查員。

歷史數(shù)據(jù)曲線功能是在點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)查看頁面的歷史數(shù)據(jù)按鈕后,將進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)曲線頁面,然后在繪制曲線圖的同時(shí)開兩個(gè)線程,分別去訪問服務(wù)器讀取相關(guān)數(shù)據(jù),將服務(wù)器發(fā)回的數(shù)據(jù)以message的形式保存,并在handler中進(jìn)行處理,handler內(nèi)主要將數(shù)據(jù)保存下來,并賦值給圖表進(jìn)行更新繪制,圖表的繪制采用MPAndroidChart庫。MPAndroidChart為目前安卓圖表庫中最成熟、功能最全的庫之一,對(duì)于新手開發(fā)圖表十分簡單,缺點(diǎn)是引入后項(xiàng)目文件會(huì)變得較大。

圖3 實(shí)驗(yàn)室選擇頁面

2.2本地服務(wù)器軟件

本地服務(wù)器,讀取本機(jī)IP地址作為服務(wù)器IP地址,然后設(shè)置端口進(jìn)行通信。完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的連接及服務(wù)器設(shè)定的初始化操作后,采用循環(huán)的方式進(jìn)行監(jiān)聽手機(jī)應(yīng)用端的請求通信,根據(jù)傳送過來的數(shù)據(jù)開頭標(biāo)識(shí)位來進(jìn)行判斷該請求為何種請求,并進(jìn)行下一步的處理。在響應(yīng)完一次請求后將斷開連接,并繼續(xù)監(jiān)聽下一次的請求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1本地服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫

首先測試的是本地服務(wù)器能否正常接收管理員應(yīng)用數(shù)據(jù)并保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫,通過對(duì)比數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變化及服務(wù)器狀態(tài)進(jìn)行判斷。

圖4所示為數(shù)據(jù)庫更新前的數(shù)據(jù)庫,最后一條數(shù)據(jù)id為3 060,時(shí)間為:2020-03-28 05:59:28。

圖4 本地服務(wù)器更新前的數(shù)據(jù)庫

圖5所示為服務(wù)器cmd運(yùn)行圖,服務(wù)器發(fā)送了3次“success”,代表已成功接收3條數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。

圖6所示為數(shù)據(jù)庫更新3條數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)庫,最后一條數(shù)據(jù)id為3 063,且時(shí)間也已更新為:2020-03-28 14:47:03。

以上實(shí)驗(yàn)表明服務(wù)器已能正常接收數(shù)據(jù)并保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示

圖7所示為實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示頁面。這里需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,即對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取并對(duì)截取的部分進(jìn)行檢測,由于在源數(shù)據(jù)中,一些數(shù)據(jù)的有效數(shù)字前會(huì)含有“0”,例如:“023”,所以DataJX()函數(shù)還對(duì)截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去0工作,若截取的數(shù)據(jù)的有效數(shù)字前含有“0”,則將“0”去除,若沒有則直接進(jìn)行輸出顯示。setTextColor函數(shù)修改字體顏色,異常數(shù)據(jù)字體顏色需改變,而當(dāng)異常數(shù)據(jù)恢復(fù)正常時(shí),字體則要變回原本的顏色。

圖5 本地服務(wù)器成功接受數(shù)據(jù)

圖6 本地服務(wù)器更新后的數(shù)據(jù)庫

圖7實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查看

圖8所示為應(yīng)用提示異常數(shù)據(jù)消息,這里取系統(tǒng)時(shí)間來生成id,頂欄消息的發(fā)送依賴通道進(jìn)行,而只有擁有不同的通道id,才能發(fā)送多條不同的頂欄消息。當(dāng)有多實(shí)驗(yàn)室同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí),頂欄消息可以發(fā)送多條消息進(jìn)行提醒。mVibrator.vibrate(1000)函數(shù)在發(fā)送消息的同時(shí)使手機(jī)震動(dòng),震動(dòng)時(shí)間為1s。

圖8異常報(bào)警提醒

使用Arduino主芯片發(fā)送模擬錯(cuò)誤數(shù)據(jù),溫度50 ℃,圖7已顯示有異常數(shù)據(jù),并顏色改變?yōu)榧t色,圖8顯示已收到異常報(bào)警信息,以上實(shí)驗(yàn)表明數(shù)據(jù)監(jiān)測功能正常。

圖9所示為歷史數(shù)據(jù)圖表頁面,分為每日數(shù)據(jù)和每周數(shù)據(jù)兩個(gè)圖表。繪制每周數(shù)據(jù)圖表的函數(shù)chart(),參數(shù)包括3位數(shù)據(jù),0位數(shù)據(jù)為y軸最小值,1位數(shù)據(jù)為y軸最大值,2位數(shù)據(jù)為y軸數(shù)據(jù)最小間隔。向數(shù)據(jù)圖表添加新的數(shù)據(jù)并更新繪制的函數(shù)entry_add_wc(),其第1個(gè)參數(shù)為x軸的坐標(biāo),第2個(gè)參數(shù)為y軸坐標(biāo),MPAndroidChart添加數(shù)據(jù)采用的是Entry類型數(shù)據(jù),將x軸與y軸坐標(biāo)合在一起進(jìn)行傳入,傳入后進(jìn)行更新繪制。歷史數(shù)據(jù)顯示完整,功能正常。

圖9 歷史數(shù)據(jù)曲線顯示

4結(jié)論

本文系統(tǒng)將傳感器、無線通信、云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合,由性價(jià)比高的Arduino板連接多傳感器,降低了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)的成本,采用WiFi模塊和機(jī)智云平臺(tái)收集并發(fā)送數(shù)據(jù)到本地?cái)?shù)據(jù)庫,安裝方便,使實(shí)驗(yàn)室管理員能隨時(shí)隨地利用手機(jī)端應(yīng)用,進(jìn)行查看動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、接收報(bào)警信息,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室管理的時(shí)間、人力成本,更好的保護(hù)實(shí)驗(yàn)室人員和設(shè)備。下一步,系統(tǒng)將攝像頭接入系統(tǒng),通過定時(shí)拍照、人臉識(shí)別技術(shù)判斷實(shí)驗(yàn)室有無異常;將現(xiàn)有空氣凈化設(shè)備接入,實(shí)現(xiàn)新風(fēng)滅菌除臭;采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù),使系統(tǒng)用戶更直觀了解實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。