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智慧实验室
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添加日期:[2017/7/20 10:35:13] 点击数:253
 

       随着传感技术、软件技术、网络技术、智能硬件技术与云计算技术等的物联网技术发展与成熟,用先进的物联网技术引入传统实验室将形成集智慧教学、实验管理、设备管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧实验室,并将给实验教学与管理带来模式创新与变革。

       风标公司拥有物联网核心技术和多项知识产权,充分理解和认识高校实验室开放共享、创新创业的创客空间管理和物联网技术实验教学的需求,采用“物联网+实验室“的技术思路开发了本功能强大的智慧实验室系统。

 

系统特点

1. 环境监控智能化

智能网关使传感器节点的变化触发设备的联动,从而实现智能化;基于云和手机APP可实现对实验室的环境监测、电气控制、安全防范的智能化远程服务。

2. 实验管理智能化

基于电子标签的设备管理,基于RFID的人员考勤、基于智能插座的实验工位控制、基于视频服务的远程辅导、基于二维码的实验提交等功能与数据库结合实现了实验室的开放管理。

3. 强大的云接入、管理与开发平台

所有设备的云端接入能力,实现手机与设备的快捷联动,为学生的智能产品设计提供网络支撑。强大的设备MCU代码生成技术和手机APP代码生成技术,结合ProteusVSM仿真技术帮助学生快速开发物联网智能产品。

4. 涵盖物联网核心技术与支撑技术的教学平台

包含无线通信技术、传感检测技术、RFID技术、嵌入式系统开发技术、网络技术、软件与云计算技术、物联网行业应用技术等核心课程的实验项目与教学资源。

 

功能设计

 

本方案以基于风标四合一物联网网关为核心,构建实验室无线ZIGBEE、WiFi网络环境,实现各种传感器和设备的联接。结合智慧实验室服务器、云端接入服务器和管理软件,实现了实验室的智能化,并通过移动终端或PC机对实验室实施管理及服务获取。 

 

1. 环境监控与智能系统

 

1)移动终端与现场控制系统

使用手机、平板电脑等移动终端通过互联网或者本地网实现实验室监控,如远程控制灯光照明、电器设备(空调、投影仪、换气扇),电气开关、窗帘、环境监测、视频监控等功能。

现场还有大量的智能开关、情景开关实现现场的实际控制,可设置多个情景并与情景开关绑定,只需点手机上一个按钮或者一个情景开关,自动完成开门、开灯、开窗、开空调等一系列操作。场景编辑完全由老师自己DIY,随时随地实现实验室自动化。

 

2)实验室智能系统

1)灯光控制组件

灯光控制模块由灯光控制器、光照传感器、人体红外传感器、窗帘控制器和配套控制软件构成。

首先通过人体传感器来判断教室内对应位置是否有人,此位置无人,则灯光控制系统及窗帘控制系统处于关闭状态;反之,处于工作状态。

窗帘控制器:通过采集安装在窗户的光照传感器数据,根据软件预设门限值,以窗帘自动开、关来实现教室内光照强度的补偿。

灯光控制系统:采集安装在教室内的光照传感器数据,通过分析数据,根据软件预设值,来控制教室内灯光的自动开启与关闭,并可调节灯光的亮度,实现室内灯光的智能控制与节能减排。

2)门窗监视组件

门窗监视系统由窗户门磁模块、红外入侵监测模块及配套软件组成。

窗户门磁模块用于检测门和窗户的开关状态,红外入侵监测模块可监测活物的进入,当发生门窗开启或者有活物进入时,系统将状态信息及时上传至服务器并触发报警。

3)通风换气组件

    通风换气系统由抽风机、二氧化碳监测器和配套监控软件构成。

通过二氧化碳监测器监测室内的二氧化碳浓度,通过分析数据,根据软件预设值,当室内浓度高于软件门限值时自动开启抽风机来进行换气。

4)门禁组件

     本系统主要由智能锁、门磁来实现,智能锁通过ZIGBEE接入网关,进门处可以刷卡或输入合法指纹或者合法密码后联动电控锁开门。

     门磁可感应到门未关闭的状态,并发出提示,也可通过手动或软件方式关闭报警提示。

    5)空调控制组件

    空调控制系统由中央空调电源控制器、温湿度传感器和配套控制软件构成。

通过温湿度传感器监测室内温度,通过分析数据,根据软件预设值,当室内温湿度高于最高门限值时自动开启空调。当室内温湿度低于最底门限值时自动关闭空调,实现室内温湿度的自动控制。

 

2. 开放实验管理系统

采用Struts/Hibernate/Spring框架开发技术,对智慧实验室进行集中管理与服务

1)设备管理与借用子系统

设备管理系统由UHF RFID读卡器、抗金属标签和配套控制软件构成。

安装相应读写距离的UHF读卡器,对教室内的实验仪器、设备等资产(贴有RFID标签,标签上存储有设备的详细信息)进行出入教室的监控与管理,对未授权用户把教室内资产带出教室进行报警,方便设备管理人员对教室设备的统一管理。

 

 

主要功能有:

1)设备器材管理

通常实验室设备管理主要包含了器材的整个工作周期,即采购、入库登记、投入使用、日常维护、外借以及报销等环节。各个子模块的分工合作使得器材的相关信息得到及时记录,使用流程科学合理,性能得到良好维护,确保了器材的性能得到有效发挥。

2)设备外借管理

用户通过该模块提供的实验室器材设备的外借申请功能,可以根据自己的需要,填写递交预外借申请单,实验室管理员根据实际情况核实、批复、发放与归还。

 

2)实验管理与预约子系统

1)实验预约

提供开放式实验教学服务,用户可进行实验工位的预约、方便学生自主灵活的参与实验、也使得管理员可以更加科学有效的指定课表、安排及时、和充分利用教学资源。物联网智能系统将会开启门禁、考勤、工位开关和视频辅助服务。

 

 

  

                                              2)实验考勤管理

人员考勤由RFID考勤机、考勤卡和配套控制软件构成。采用RFID标签(校园一卡通)或者人脸识别对学生进行考勤统计。

对参与实验的学生进行签到签离,考查学生的出勤情况。

3)实验课管理

维护各门课程实物实验和虚拟实验进行管理。

进行相应课程的实体实验的教学安排和虚拟实验教学安排。

4)实验提交与评价

根据教师的实验要求,完成相应的实验任务并提交实验结果和实验报告,手机通过二维码可上传实验结果与过程。教师针对实验结果和实验报告进行相应的批改并给出评价。

 

 

3)信息展示子系统

信息展示子系统是智慧实验室门户信息的展示综合平台,包括网站门户(支持PC机及手机)、智慧班牌模块等,内容包括实验室环境动态信息、实验室实验内容、出勤情况、互动交流、动态信息管理、信息通知平台、网络资源等,管理员用户可通过系统的栏目管理、内容管理、资源管理模块自行建立模块或可根据中心进行定制。

 

4)视频辅助子系统

视频监控系统由服务器、WiFi无线摄像头和配套监控软件构成。

视频监控可为安防系统、开放实验管理、远程辅导提供支撑。服务器将对开放实验时段、异常时段进行视频存储以备查,教师后台也可远程查看现场视频。

 

5)资源库子系统

 实验教学资源管理平台与资源,相关资源包括相关课程的实验指导书、实验例程、代码、知识点视频、微课、课件等。

 

3、物联网实验云平台

    物联网实验云平台是我公司与机智云公司在公有机智云的基础上专门为高校教学、科研与创新推出的物联网服务的私有云平台。

机智云平台在云、设备端、APP端提供组件化的接入能力,机智云提供了对最终使用用户完全透明的服务,保护客户品牌。

机智云提供经过实践验证的云服务、GAgent、SDK,保护客户系统稳定,并能降低客户的投入与研发周期。

机智云提供实时数据同步服务,客户可根据需求从机智云云端获取设备与用户数据,保护客户数据资产包括服务平台和开发平台两部分:

 

 

 

1)机智云服务平台

1)M2M服务

M2M接入服务遵循MQTT协议规范,提供基于MQTT协议的长连接实时通讯能力,满足海量设备的连接、管理、数据通讯功能;支持设备到应用的实时数据传输能力;可支持多种协议、多接口;提供高可用及安全能力。

2)OPEN API

OPEN API服务提供了设备、应用的业务服务与管理能力,提供了设备管理、用户管理、设备绑定、远程控制、设备分享、定时预约、数据统计、OTA管理等业务能力。

3)GAgent

GAgent为设备、云、应用三方提供了数据通讯的能力,并实现了设备接入云端、设备接受云端、应用端数据的业务封装,硬件设备只需集成GAgent即可轻松开展IoT应用。

4)消息处理引擎

消息处理引擎实时接收、处理各类事件,包括设备上下线、用户上下线、设备主动上报等事件,通过事件的业务规则定义进行消息的实时接收、解析、分发与存储。

5)IOT SDK

IOT SDK(以下简称SDK)封装了手机(包括PAD等设备)与GAgent的通讯过程,以及手机与云端的通讯过程。这些过程包括配置入网、发现、连接、控制、心跳、状态上报、报警通知等。使用SDK,可以使得开发者快速完成APP开发。

6)统一运营管理

统一的基础接入管理能力。 可通过管理门户管理设备、管理用户、OTA推送、业务配置与系统配置管理、运营等工作。

 

2)开发平台

机智云平台为开发者提供了自助式智能硬件开发工具与开放的云端服务。通过傻瓜化的自助工具、完善的SDK与API服务能力最大限度降低了物联网硬件开发的技术门槛,降低开发者的研发成本,提升开发者的产品投产速度,帮助开发者进行硬件智能化升级,更好的连接、服务最终消费者。

1)设备接入开发

硬件厂商对硬件智能化的第一步是让设备能够联网,GAgent是机智云提供的一款兼容国内主流Wi-Fi模块、移动网络模块的模组系统。硬件厂商只需理解如何与GAgent进行通讯即可

2)手机应用开发

机智云提供了APP SDK、开源框架、微信SDK,便于开发者快速构建手机应用端系统,只需根据工具指引实现业务功能,无需实现底层功能。APP代码自动生成服务。

3)企业应用开发

开发者如果已完成设备接入、APP开发,还需要从机智云PaaS平台获取数据构建一套业务管理系统,或者访问机智云提供的服务,则需了解以下文档设备开发。

4)代码自动生成工具

为了降低开发者的开发门槛,缩短开发周期,降低开发资源投入,机智云推出了代码自动生成服务。云端会根据产品定义的数据点生成对应产品的设备端代码。

自动生成的代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑,并封装成了简单的API,且提供了多种平台的实例代码。当设备收到云端或APP端的数据后,程序会将数据转换成对应的事件并通知到应用层,开发者只需要在对应的事件处理逻辑中添加传感器的控制函数,就可以完成产品的开发。

5)开发套件GoKit3(S):

本套件的目的是帮助传统硬件快速接入互联网。完成入网之后,数据可以在产品与云端、制造商与用户之间互联互通,实现智能互联。

 

 

硬件资源

 

1. 智慧实验室服务器

硬件配置
1U/机架式,机架服务器主机 新款E5-2600V4系列 单颗E5-2603V4(6核 1.7G)单电 8G内存2T硬盘,板载双口1GB以太网适配器。

应用服务器系统:Tomcat 7.0,JDK 1.7;

操作系统WindowsServer

数据库MY SQL 5.5以上版本

 

2. 无线网络

1)智慧家居网关

基于ZigBee/SmartRoom技术,可将ZigBee无线网络连接到局域网或互联网中。从而方便用户使用各种移动智能终端,轻松控制相关设备,无线数据高速、安全、可靠传输,并且可实现以太网的互通互联。

2)WIFI路由器

连接所有WIFI设备,并通过路由接入互联网。

 

3. 平板电脑

苹果IOS和安卓4.0操作系统,7寸液晶电容触摸屏,内置WIFI、GPS,可选配2G/3G模块,支持移动、联通、电信网络。

 

4. 智能家居模块

1)智能照明

无线开关;移动插座;6W灯泡系列

无线墙面开关;单火线单路调光开关

2)智能控制

智能开关;智能插座;窗帘控制器;

全角度红外转发器;六路场景开关

3)智能传感

粉尘监测器;人体红外传感器;光照监测器

温湿度监测器;红外入侵探测器;二氧化碳监测器

4)智能安保

密码锁;声光报警器;高清摄像机

烟雾火警探测器;门磁探测器

 

5. 智慧班牌

触控一体机:包括Android主机、液晶显示、电容触控屏、摄像头、读卡器、NFC刷卡

 

6. UHF读卡机

     工作频段:902~928MHZ  跳频工作模式( HFSS (可定制欧标等频段);
     识别阅读距离达 标准款:1-5米,增强款:5-15米;     
     单卡读取时间小于 10MS  相同卡号输出间隔可调;
      微波输出功率: + 30dbm ( 1W ) (可自行调节);
     工作电源:DC-12V±0.5V,3A 天线功率:1W(软件可调);
    支持协议:ISO18000-6C(EPC G2)或ISO-18000-6B;
     数据接口:具标准的通信接口: Wiegand 26 bit/RS232/RS485;

     天线增益:12dbi水平极化;
     快速识别:能识别在120km/h以内快速移动的电子标签

     具有防碰撞读取功能,可识别多个标签。

 

7. 私有云服务器

     服务器硬件配置:
     2X  Intel Xeon Processor E5-2620V4 8C/16T 2.1GHz 20M 8.0GT/s 85W;
     2X  16GB/DDR4/2133或2400MHz/ECC/REG/2RANK;
     2X 2TB/SAS/7200RPM/3.5寸/企业级;
     1X LS282G:8口/SAS/6Gb/支持RAID 0、RAID 1、RAID 10。

     中间件:mongodb数据库、Mysql数据库、Redis、Rabbit MQ。 

 

8. GoKit3(S)

     分体式的设计方案,即底板+功能板+模组。

     支持MCU和SoC两种连接方式

      MCU方式支持多种无线WiFi模组并可随意更换。

     支持标准版(STM32底板)和创客版(Arduino底板)。

     基于机智云(GizWits)开发平台,高效、易用、安全。

     提供完整开源Demo工程和相关SDK集成指南。

 

 

 

 

 

 

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