CN209659352U - 一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，涉及一种实验室管理系统，采用控制模块通过ZigBee协调器对所有ZigBee终端节点采集的参数进行监控，并根据采集的参数进行告警，控制模块监控及告警的信息均存储在云服务器，管理终端根据告警信息发送至所有实验室计算机，提醒实验室人员快速撤离，从而解决了实验室出现危险情况无法及时智能报警的缺点。通过ZigBee终端节点将实验箱的相关信息传送至服务器，管理人员通过管理终端从服务器中读取相应信息进行管理；同时管理终端通过服务器能够对实验室计算进行监控和管理，同时服务器机对实验室计算机资源进行了池化，具备强大的计算处理能力，还通过服务器读控制模块控制控制实验室门的开关。

Description

一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种实验室管理系统，尤其涉及一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统。

背景技术

近年来，物联网技术已经开始广泛应用于智慧城市和智慧校园建设，将物联网技术应用于高校实验室管理，可以有效地解决高校实验室管理存在的问题，也为全面提升高校实验室信息化管理水平带来了新的机遇，高校实验室管理智慧化已经成为未来高校实验室建设的必然发展趋势。

随着高校的扩招，实验室中的人数明显增加，教育部加大了对高校的建设经费，实验室出现了越来越大和越来越多的趋势，这导致了使用能源增加，管理难度增加和实验室建设成本上升。特别是很多院校都相继建立了开放型实验室，进行实验的人员、时间不确定，实验的内容不统一，实验仪器的安全性，这都给实验教学和资产安全管理增加了很大困难，同时也增加了实验人员的值班工作量和工作强度，在某种程度上制约了开放实验室的建设与发展，造成了实验室管理效率下降，安全性舒适性降低，影响了学生实验的积极性，造成了实验室资源严重浪费。这些问题具体体现在以下方面：（1）实验教学工作覆盖面广，参与人员多，协调管理难；实验室的软硬件设备监管难度大；（2）管理人员对实验过程难以全程监控，学生人数的大量增加，实验室严重不足，实验师资贫乏，需要提高资源利用率；（3）数据分析汇总难，易出错，教师统计申报数据的工作量巨大，对发现和决实验教学中的问题都有一定的滞后；（4）实验室环境无法智能时时监测，实验室出现危险情况无法及时智能报警。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，从而克服了现有实验室的软硬件设备监管难度大，难以全程监控及实验室环境无法智能时时监测，实验室出现危险情况无法及时智能报警的缺点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，包括：

实验室计算机，用于学生进行相关实验的所有计算机；

第一交换机，与多台所述实验室终端计算机连接；

服务器，与所述第一交换机连接，所述服务器上安装云管理软件，所述管理终端通过所述云管理软件对所述实验室计算机进行管理；所述服务器还能够安装服务器虚拟化软件对服务器资源进行池化，大批量对实验室计算机部署虚拟机，减少了因为实验时学生安装不正常、虚拟机配置错误及新的计算机配置而造成的时间浪费，从而提高了实验室管理人员的工作效率；

管理终端，与所述服务器连接，用于通过服务器、第一交换机对多台所述实验室计算机进行控制和管理；

ZigBee终端节点，用于采集和传输相应参数或传输相应的控制命令控制；

ZigBee路由器，分别与多个所述ZigBee终端节点连接；

ZigBee协调器，分别与多个所述ZigBee终端节点之间直接无线连接或通过所述ZigBee路由器无线连接，所述ZigBee协调器与所述服务器连接；

控制模块，分别与所述ZigBee协调器、云服务器和管理终端连接，用于通过所述ZigBee协调器对所述ZigBee终端节点采集的参数进行监控，并根据采集的参数进行告警，所述控制模块监控及告警的信息均存储在所述服务器，所述管理终端通过服务器或直接读取控制模块监控的情况；

实验箱，每个实验箱均与ZigBee终端节点连接，所述ZigBee终端节点与所述实验箱中的主要继电器、控制开关或传感器连接；用于通过ZigBee终端节点采集所述实验箱实验产生的相关参数传送至所述控制模块，便于老师对学生的实验操作情况进行监控和帮助；

环境监控模块，所述环境监测控制模块包括：温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器，温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器分别连接一个所述ZigBee终端节点，所述温湿度传感器、烟雾传感器及光敏传感器通过相应的ZigBee节点将采集到的环境参数传送至所述控制模块，并根据所述环境参数判断是所述蜂鸣器是否工作，并将告警信息发送至所述管理终端；及

门禁模块，设置在实验室入口，与一个所述ZigBee终端节点连接，用于控制实验室入口的开启或闭合，并将相应的信息通过ZigBee终端节点发送至所述控制模块。

进一步的，所述管理终端为计算机，包括安装有Windows系统的主机、与所述主机连接的键盘、与所述主机连接的显示器及与所述主机连接的鼠标。

进一步的，所述管理终端通过第二交换机连接服务器。

进一步的，所述第一交换机和第二交换机均为千兆交换机，所述千兆交换机采用的型号为SG95-24，所述服务器采用的型号为PowerEdge C1100。

进一步的，所述门禁模块包括：

射频标签，设置在IC卡中；

射频感应模块，设置在实验室入口，与所述射频标签感应耦合；

人脸识别模块，设置在实验室入口；及

电磁开关，为实验室入口的电磁门中的电磁开关，所述电磁开关、射频感应模块及人脸识别模块分别与一个所述ZigBee终端节点连接，用于根据接收到所述射频感应模块和人脸识别模块的信号控制所述电磁开关的开启或闭合，并将相应的信息通过所述ZigBee终端节点传送至所述控制模块。

进一步的，所述ZigBee终端节点均包括：

ZigBee数传终端；

RF天线，与所述所述ZigBee数传终端连接，用于接收或发送信号；

存储器，与所述ZigBee数传终端连接，用于对数据进行存储；

电池，与所述ZigBee数传终端连接，用于给所述ZigBee数传终端进行供电。

进一步的，所述控制模块与ZigBee协调器之间还通过依次连接的RS232公对公交叉线和RS323转TTL转接口连接。

进一步的，所述控制模块为单片机。

进一步的，所述单片机的型号为STM32F103V8T6。

与现有的技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所提供的一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，采用控制模块通过ZigBee协调器对所有ZigBee终端节点采集的参数进行监控，并根据采集的参数进行告警，控制模块监控及告警的信息均存储在云服务器，管理终端根据告警信息发送至所有实验室计算机，提醒实验室人员快速撤离，从而解决了实验室出现危险情况无法及时智能报警的缺点。通过ZigBee终端节点连接实验箱，ZigBee终端节点将实验箱的相关信息通过ZigBee路由器、ZigBee协调器传送至服务器， 从而方便管理人员通过管理终端从服务器中读取相应信息进行管理；同时管理终端通过服务器能够对实验室计算进行监控和管理，同时服务器机对实验室计算机资源进行了池化，具备强大的计算处理能力，还能够通过服务器读取控制模块控制采集的环境监测参数、控制实验室门的开关和管理实验室实验箱，数据的处理和资源均集中在服务器，瘦客户端可以极大节省机房建设投入，从而解决了实验室的软硬件设备监管难度大，难以全程监控及实验室环境无法智能时时监测，实验室出现危险情况无法及时智能报警的缺点，而且通过服务器对实验室计算机进行安装服务器虚拟化软件对服务器资源进行池化，大批量对实验室计算机部署虚拟机，减少了因为实验时学生安装不正常、虚拟机配置错误及新的计算机配置而造成的时间浪费，从而提高了实验室管理人员的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统的结构示意图；

其中：1-服务器，21-第一交换机，22-第二交换机，3-管理终端，4-实验室计算机，5-控制模块，6-ZigBee协调器，7-ZigBee路由器，8-第一ZigBee终端节点，80-第二ZigBee终端节点，81-第三ZigBee终端节点，9-实验箱，10-环境监控模块，11-门禁模块。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实施新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型所提供的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统包括：实验室计算机4、第一交换机21、服务器1、管理终端3、ZigBee终端节点、ZigBee路由器7、ZigBee协调器6、控制模块5、实验箱9、环境监控模块10及门禁模块11。

一个实验室所有学生用的实验室计算机4分别与第一交换机21连接，第一交换机21、服务器1、第一交换机22及管理终端3依次连接。本实施例中管理终端3为计算机，计算机包括安装有Windows7系统的主机、与主机连接的键盘、与主机连接的显示器及与主机连接的鼠标；第一交换机21和第一交换机22均为千兆交换机，千兆交换机采用的型号为SG95-24，服务器1采用的型号为PowerEdge C1100，虚拟化软件采用VMware VSphere，云管理软件采用VMware vCenter。

实验室计算机4为学生进行Linux操作系统、微机原理、MySQL等实验的计算机；服务器1上安装云管理软件，管理终端3通过云管理软件对该实验室的所有实验室计算机4进行管理。同时，服务器1还能够安装服务器虚拟化软件对服务器资源进行池化，大批量对实验室计算机4部署虚拟机，减少了因为实验时学生安装不正常、虚拟机配置错误及新的计算机配置而造成的时间浪费，从而提高了实验室管理人员的工作效率，从而实现了对实验室的计算机的软硬件设备监管。

继续参考图1，服务器1与ZigBee协调器6连接，管理终端3、控制模块5及ZigBee路由器7依次连接，ZigBee路由器7分别连接多个ZigBee终端节点。ZigBee终端节点均包括：ZigBee数传终端、RF天线及电池。通过电池给ZigBee数传终端进行供电，RF天线将接收的信号进行发送。ZigBee终端节点采用的型号为CC2591，电源采用干电池，天线采用SMA天线，控制模块5为单片机，采用的单片机的型号为STM32F103V8T6，ZigBee路由器7采用的型号为ESP8266。

运行时，服务器1与ZigBee协调器6之间、管理终端3与控制模块5之间、控制模块5与ZigBee协调器6之间及ZigBee路由器7与多个ZigBee终端节点之间均采用无线连接。控制模块5与ZigBee协调器6第一次配置时，控制模块5与ZigBee协调器6之间通过依次连接的RS232公对公交叉线和RS323转TTL转接口连接进行连接。

实验室中的每个实验箱9的继电器、控制开关或传感器分别连接一个第一ZigBee终端节点8，通过第一ZigBee终端节点8与ZigBee路由器7进行通信。例如，实验箱9为内安装的传感器模块和实验箱处理器，传感器模块用于采集实验参数，传感器模块的信号输出端与实验箱处理器的信号输入端相连，实验箱处理器通过第一ZigBee终端节点8与控制模块5，控制模块5将需要进行的实验信号通过第一ZigBee终端节点8发送至实验箱9，便于老师对学生的实验操作情况进行帮助。

环境监测控制模块5包括：温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器，温湿度传感器、烟雾传感器及蜂鸣器、光敏传感器分别连接一个第二ZigBee终端节点80，温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器分别通过相连接的第二ZigBee终端节点80与ZigBee路由器7进行通信。温湿度传感器、烟雾传感器及光敏传感器将采集到的温湿度、烟雾浓度及光照强度传送至控制模块5，控制模块5设定告警的条件，例如，本实施例采用的烟雾传感器采用的型号为MQ-2，当采集的烟雾浓度阈值为0.06%时，烟雾浓度≥0．06％，启动蜂鸣器，并将实验室烟雾浓度过高的信息发送至控制模块5和服务器1，管理终端3通过该告警，发送至实验室的所有实验室计算机4，提醒实验室人员快速 撤离实验室。

门禁模块11设置在实验室入口，门禁模块11包括：射频标签、射频感应模块、人脸识别模块及电磁开关，射频标签设置在IC卡中，射频感应模块设置在实验室入口，且与射频标签感应耦合；人脸识别模块设置在实验室入口，采用的型号为FAM520；电磁开关为实验室入口的电磁门中的电磁开关；电磁开关、射频感应模块及人脸识别模块分别与第三ZigBee终端节点81连接，电磁开关根据接收到射频感应模块和人脸识别模块的信号控制电磁开关的开启或闭合，并将相应的信息通过第三ZigBee终端节点81传送至控制模块5，通过控制模块5通过第三ZigBee终端节点81发送信号控制实验室入口的门的开启或关闭。

控制模块5通过ZigBee协调器6对所有ZigBee终端节点采集的参数进行监控，并根据采集的参数进行告警，控制模块5监控及告警的信息均存储在服务器1；管理终端3通过服务器1能够对实验室计算进行监控和管理，同时还能够通过服务器1读取控制模块5控制采集的环境监测参数和控制实验室的门禁信息，和管理实验室实验箱9。

以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：包括：

实验室计算机，用于学生进行相关实验的所有计算机；

第一交换机，与多台所述实验室终端计算机连接；

服务器，与所述第一交换机连接，所述服务器上安装云管理软件，所述管理终端通过所述云管理软件对所述实验室计算机进行管理；所述服务器还能够安装服务器虚拟化软件对服务器资源进行池化；

管理终端，与所述服务器连接，用于通过服务器、第一交换机对多台所述实验室计算机进行控制和管理；

ZigBee终端节点，用于采集和传输相应参数或传输相应的控制命令控制；

ZigBee路由器，分别与多个所述ZigBee终端节点连接；

ZigBee协调器，分别与多个所述ZigBee终端节点之间直接无线连接或通过所述ZigBee路由器无线连接，所述ZigBee协调器与所述服务器连接；

控制模块，分别与所述ZigBee协调器、云服务器和管理终端连接，用于通过所述ZigBee协调器对所述ZigBee终端节点采集的参数进行监控，并根据采集的参数进行告警，所述控制模块监控及告警的信息均存储在所述服务器，所述管理终端通过服务器或直接读取控制模块监控的情况；

实验箱，每个实验箱均与ZigBee终端节点连接，所述ZigBee终端节点与所述实验箱中的主要继电器、控制开关或传感器连接；用于通过所述ZigBee终端节点采集所述实验箱实验产生的相关参数传送至所述控制模块，便于老师对学生的实验操作情况进行监控和帮助；

环境监控模块，所述环境监测控制模块包括：温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器，温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器及蜂鸣器分别连接一个所述ZigBee终端节点，所述温湿度传感器、烟雾传感器及光敏传感器通过相应的ZigBee节点将采集到的环境参数传送至所述控制模块，并根据所述环境参数判断是所述蜂鸣器是否工作，并将告警信息发送至所述管理终端；及

门禁模块，设置在实验室入口，与一个所述ZigBee终端节点连接，用于控制实验室入口的开启或闭合，并将相应的信息通过ZigBee终端节点发送至所述控制模块。

2.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述管理终端为计算机，包括安装有Windows系统的主机、与所述主机连接的键盘、与所述主机连接的显示器及与所述主机连接的鼠标。

3.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述管理终端通过第二交换机连接服务器。

4.根据权利要求3所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述第一交换机和第二交换机均为千兆交换机，所述千兆交换机采用的型号为SG95-24，所述服务器采用的型号为PowerEdge C1100。

5.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述门禁模块包括：

射频标签，设置在IC卡中；

射频感应模块，设置在实验室入口，与所述射频标签感应耦合；

人脸识别模块，设置在实验室入口；及

电磁开关，为实验室入口的电磁门中的电磁开关，所述电磁开关、射频感应模块及人脸识别模块分别与一个所述ZigBee终端节点连接，用于根据接收到所述射频感应模块和人脸识别模块的信号控制所述电磁开关的开启或闭合，并将相应的信息通过所述ZigBee终端节点传送至所述控制模块。

6.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述ZigBee终端节点均包括：

ZigBee数传终端；

RF天线，与所述ZigBee数传终端连接，用于接收或发送信号；

存储器，与所述ZigBee数传终端连接，用于对数据进行存储；

电池，与所述ZigBee数传终端连接，用于给所述ZigBee数传终端进行供电。

7.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述控制模块与ZigBee协调器之间还通过依次连接的RS232公对公交叉线和RS323转TTL转接口连接。

8.根据权利要求1所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述控制模块为单片机。

9.根据权利要求8所述的基于物联网和云计算平台的智能实验管理系统，其特征在于：所述单片机的型号为STM32F103V8T6。