隨著時代的發展，很多行業對智能監控系統都有涉及， 本文以高職院校實驗室的智能監控系統為例展開一系列研究。在高職院校的固定資產中不可或缺的就是儀器設備，而對儀器設備進行科學管理，可以將儀器設備的投資效果更好地展現出來。正因為如此，儀器設備的監控管理也受到廣泛關注。時至今日，物聯網涉及廣泛，如農業、工業、交通、醫療以及軍事等，其未來的發展趨勢是實現物與物、物與人的進一步結合， 以達到智能化控制的目的。物聯網技術在現實生活中的實施應用能夠動態或實時地感知實驗室設備的操作，使用和維護以及對一系列功能進行統計，并有效發揮設備信息技術和智能化管理的作用，以此形成的全新管理模式為“互聯網 + 設備”。
1 智能監控系統設計
1.1 系統總體框架設計
基于物聯網高職院校的儀器設備智能監控系統的總體框架如圖 1 所示。系統包含前端傳感器、網關、Web 應用程序和后端數據庫以及其他幾個主要部分。其中，儀器設備和前端傳感器使用傳感器技術來感知儀器設備的信息，而前端傳感器使用無線網絡模塊（ZigBee 無線通信模塊）技術收集數據并上傳到 Web 服務器。當用戶打開儀器時，安裝在儀器上的電流互感器可以檢測到電流信號，以確認前端傳感器設備已打開， 并通過 ZigBee 網絡向網關發送信息。網關可以通過互聯網接入技術接收運營商信息，還可將打開、關閉信息以及運行狀態信息數據加入Web 服務器數據庫中，實現對儀器設備系統設備的管理。
圖1 儀器設備智能監控系統總體框架
1.2 路由節點關鍵模塊設計
1.2.1 實驗室儀器設備開關控制模塊
路由節點的關鍵模塊主要由開關控制模塊與運行狀態感應模塊組成。
由于高職院校實驗室內設備用途不一樣，因此為方便使用，其開關控制需使用兩級開關。假設各實驗室均構建如圖 2 所示的兩級開關模型，當繼電器模塊由遠程終端或服務器打開時，實驗室內的儀器設備可以按照需求由按鍵開關進行控制。
圖 2 兩級開關控制模型
1.2.2 儀器設備運行狀態感應模塊的應用
在 220 V 交流工作電壓下，負載運行狀態無法直接借助芯片進行測量，因而本文采用電流互感法以減弱電路中的電流， 通過采用串聯方式在 220 V 交流電路中結合傳感器與實驗室內的常用儀器設備實現。
假設互感器用T1 表示，二極管用D1 表示，電阻用 R3 表示， 其兩端電壓用 U3表示，設 T1的比例系數為 n ：m，Ud代表D1正向導通時的兩端電壓，則 U3 可用公式（1）表示，即電阻 R3兩端的電壓公式 ：
由于實驗室內各類型儀器設備具不同的電流，因此 D1 處于擊穿狀態的前提條件是對 R1，R2進行調整，從而在 R3的兩端獲取穩定電壓。
1.3 前端傳感器
前端傳感器由接收驅動電流互感器模塊、TE200 溫度檢測傳感器模塊、濕度傳感器模塊和 ZigBee 無線通信模塊等組成。電流互感器用于監測設備的開啟和關閉，溫濕度傳感器用于監測設備運行狀態和室內環境條件，部分設備擁有數據通信能力，即相關信息的讀取可借助數據接口完成。前端傳感器通過ZigBee 射頻模塊將采集到的實時信息發送給網關。
1.4 無線數據收集與控制設計
前端傳感器在接收網關信號的同時，還獲得有儀器設備的狀態信息。網關逐個接收各前端傳感器的信息，其中一個或多個設備的數據與信息可由同一網關接收。由于網關和前端傳感器的低功耗局域網模塊傳輸的信號范圍可達數百米，因此網關適用于單獨的實驗室或者整棟樓層，從而達到數據傳輸的要求。前端感應裝置通過無線（ZigBee 射頻）模塊將采集到的數據信息發送到網關，經過濾、分析和打包等過程，將數據信息上傳到指定 Web 服務器的前端傳感裝置中，并在固定時間內對其進行處理。可借助互聯網將 Web 服務器程序發送的控制指令傳遞給各網關，方便對各集中器的工作狀態進行設置。圖 3 所示為數據收集和網絡訪問控制程序流程圖。
1.5 Web 程序設計
Web 服務程序主要負責處理由集中器傳輸的信息，對設備用戶或管理員的身份信息進行驗證，并上報設備的運行狀態，診斷信息和定期維護信息，最終以管理報告的形式提供給實驗室教師或管理人員查看。
用戶可以分為普通用戶和管理員兩大類，在設備購買、錄入、預約、使用以及維護等流程的基礎上，其目標功能包括完善用戶登錄、設備錄入、設備預約、設備實時數據查詢、設備統計分析，設置參數以及用戶管理。其詳細過程如圖 4 所示，各功能模塊的具體情況如下：
（1）用戶登錄 ：因用戶分為普通用戶和管理員兩類，所以在進行登錄時要設置兩類用戶進行相關操作 ；
（2）設備錄入 ：用以存儲所有設備儀器的信息 ；
（3）設備預約 ：在使用該設備時要在互聯網上填寫相應的表格進行預約 ；
（4）設備實時數據查詢 ：對分類展示用戶設備操作的實時數據進行查詢 ；
（5）設備統計分析 ：對設備的使用情況進行統計并分析 ；
（6）系統參數設置 ：進行系統的初始化參數設置 ；
（7）設備維護 ：設備出現故障之后要走報修、保養和報廢等流程 ；
（8）用戶管理 ：對設備的使用者以及教師類的用戶進行管理和授權。
2 系統功能測試
本文以內蒙古電子信息職業技術學院為例選取了 1 間實驗室作為測試對象，模擬高職院校對實驗室儀器設備的監控控制。實驗室控制電器包含 1 個總開關、5 臺儀器設備及 3 個窗戶開關。
2.1 測試準備
首先，電路的檢測需要先運行儀器設備，并將其與各低功耗局域網模塊連接，重點應考慮各負載狀態的遠程測定， 需要確保 D1 處于擊穿狀態，D1 擊穿的前提是對電位器 R1 和R3進行調整。針對 ZigBee 無線通信模塊進行程序編寫時，需要對 ZStack-CC2530-2.5.1a 協議棧控制卡中的變量值進行修改，使得每個設備擁有的編號都獨一無二且具有規律性，此舉有利于在 Clients 對實驗室中的無線射頻設備進行區分，以實現數據處理的集中化。
服務器可以選用型號為 FS4412的開發板。服務器及無線射頻協調器的串口連接可借助通用異步收發傳輸器，在 Server 程序下的無類型函數中對 CN的互聯網協議地址進行修改。由于互聯網協議地址的有效性無法通過FS4412開發板進行簡單驗證，檢驗可用性的過程即為將連接至CN電腦的互聯網協議地址修改為即將使用的 IP地址。將 FS4412開發板設置為程序編譯后的下載位置，接入網線并將電源開啟后，若FS4412開發板上的液晶屏顯示 ：IP地址與路由地址分別為10.10.84.244，10.10.83.1時，則代表校園網已連接成功且初始化過程已完成。
將全部設備的電源開關打開，并對各無線射頻節點設備發光二極管的指示燈進行檢查，確認是否常亮，常亮則表示無線射頻網絡已成功加入，且初始化過程已完成 ；若指示燈未常亮，則表示 ZC 以及無線射頻網絡需要重新載入或加入。
2.2 客戶端測試
在各 Qt 編譯環境下對 Qt 編寫的用戶界面客戶端程序進行編譯，并生成與各系統對應的用戶界面客戶端。
當客戶端打開，通知窗顯示“成功連接”時，則表示客戶端已成功連接到 Server，若未成功連接，則需要對服務器的配置合理性進行檢查。在抽屜類的主界面上點擊所要監控的實驗室按鈕時，該實驗室的所有儀器設備工作時間與狀態的控制按鈕都會彈出，處于打開狀態的設備無法再點擊其打開按鈕。與此同時，可以點擊其“關閉”按鈕，在用戶界面中，儀器設備的工作時間將會顯示在各液晶顯示器上；而點擊相應實驗室儀器設備的“關閉”按鈕后，其“打開”按鈕便能繼續發揮信號輸入與輸出的功能。退出后，相應的內存也會清除，以確保多次打開客戶端時系統的穩定性。
2.3 服務器自動控制測試
實驗室內的全部儀器設備會在實驗室空無一人的情況下自動關閉，但實驗室內空曠的狀態需要持續 20 min，當實驗室內有人時，相關儀器設備開關會根據周圍環境進行開啟或關閉。實驗室的總電源會由于煙霧的產生而關閉 ；實驗室的窗戶會在通過濕度檢測傳感器感知到水滴后自動關閉。
3 結 語
隨著時代的發展，智能監控系統所涉及的應用領域愈加廣泛。本文利用前端傳感器、ZigBee 無線網絡等技術，基于物聯網技術對高校實驗室常用電器智能監控系統進行設計，目的在于優化高職院校儀器設備管理工作，提高儀器設備的維護水平，確保儀器在使用過程中的安全性、可靠性。在實際測試中，達到了預想的效果，實驗室內應當逐步增添監控探頭， 以更好地對電器、儀器設備進行智能控制。
