基于蓝牙技术的实验室信息化管理系统

基于蓝牙技术的实验室信息化管理系统

李莉,王豪,刘伟丽

山东农业工程学院

摘要：本文设计一个基于蓝牙技术的实验室信息化管理系统。通过 STM32 单片机系统采集和蓝牙模块，获取实验室及使用者的信息，并通过 ESP8266 模块将处理后的数据传到阿里云物联网平台，再将数据流转到 Web 服务器，从而实现在手机 APP 和 Web 应用上显示使用记录的功能。通过PLC实验室使用效果验证，本方案设计的系统成本较低、易于实现、应用场景广泛，可进一步推广。

关键词：STM32单片机  蓝牙  实验室  信息化管理

项目基金：本文系2022 年度山东省教育发展研究微课题“‘电气控制与 PLC’DIY口袋实验室建设及其信息管理系统开发研究”（课题编号FJ012）研究成果；山东农业工程学院2020年度新农科建设与改革重点项目“新农科、新工科一体化建设背景下‘智慧农业装备与系统’实践教学体系的构建与探索”（项目编号：20XJNKZ07）研究成果。

0引言

随着现代科学技术的发展，互联网、物联网和智能终端等技术日趋成熟，已经逐渐渗透到社会生活的各个方面。目前高校实验室开放比较多，借入借出频繁，设备使用记录一般采用人工管理的方式工作量大，设备管理使用和维护记录多靠使用者手填，漏填情况时有发生，实验设备的使用或借用情况不明，更没有实验操作成绩与设备使用联动记录功能，缺乏实时信息管理手段。因此，实验室信息化管理需求越来越大。通过查阅相关资料，利用蓝牙技术与单片机、物联网平台实现实验室信息化管理的方案鲜有发现。

1系统总体设计

本文设计的系统主要由STM32主控系统、蓝牙HC05模块、ESP8266网络模块、阿里云物联网平台、手机APP客户端和Web应用六大部分组成。实验室信息管理系统为三级拓扑结构，分别是现场设备层、网络平台层和监控应用层。如图1所示。

现场设备层：主要包含单片机STM32F103ZET6主控板，蓝牙HC05模块，ESP8266网络模块。主要功能是获取实验室及使用者的信息经过校验处理后，发送至网络平台层。

网络平台层：主要应用阿里云物联网平台，主要功能是从Web端接收现场设备层发送的实验室相关信息，通过阿里云物联网中的物联网平台对现场设备层的信息进行处理的保存。

监控应用层：主要包括Web端应用和移动端APP。Web端应用适用现场设备层和网络平台层直接传输的操作，可以对设备状态以及使用者信息进行监控和统筹，并可以通过物模型数据实时接收现场设备层预设信息，也可以按照协议直接向现场设备层下发操作指令。移动端APP包含串口调试APP,为了提供实验室设备以及使用者信息填入和网络平台层下发指令的处理功能。

图1  系统整体架构

2现场设备层设计

在现场设备层中，实验室设备的使用状态数据，以及使用者输入的姓名、学号、班级等数据信息，通过HC05蓝牙模块传送到STM32主控系统进行处理，处理结果无误并根据处理结果在stm32上亮起智能控制设备指示灯。随后STM32主控系统通过ESP8266网络模块连接WiFi，通过WiFi采用MQTT协议连接阿里云服务器并将处理后的数据传输到平台层的阿里云物联网平台。

2.1主控模块

考虑到系统要具备支撑上云功能、功耗低的特点，本设计方案采用STM32F103ZET6主控模块，最高72MHz工作频率，

2.2 蓝牙模块

考虑到系统的稳定性以及操作难度，本设计方案采用灵敏度高、成本低，易于开发的HC05蓝牙模块进行手机与单片机的数据传输。HC-05蓝牙串口通信模块应该是使用最广泛的一种蓝牙模块之一。HC05模块是一款高性能主从一体蓝牙串口模块。

2.3 ESP8266网络模块

考虑到系统数据的实时更新以及快速处理，本设计方案采用内置高速缓冲存储器的ESP8266网络模块。超低功耗且省电模式适用于各种低功耗应用场景。ESP8266EX 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了超低功耗。

3网络平台层设计

网络平台层采集实验设备状态数据以及使用者个人信息数据传输到阿里云平台存储，网络平台层将控制数据下发到现场设备层，实现对系统的控制。本方案采用MQTT协议作为现场设备层和网络平台层的网络通信协议，网络平台采用阿里云平台。

3.1 MQTT协议

MQTT协议是一个基于客户端-服务器和消息发布/订阅模型的通信协议。Topic是消息发布者和订阅者之间的传输中介。设备可通过Topic实现消息的发送和接收，从而实现服务端与设备端的通信。根据本方案的实际场景需要，在物联网平台定义了物模型通信Topic，包含属性上报、属性设置和事件上报。通过这些物模型通信 Topic，就能实现设备数据上传和服务端指令下发。

3.2阿里云物联网平台

阿里云物联网平台是在阿里云上搭建了具备设备接入、设备管理、数据安全通信和消息订阅等能力的一体化平台，支持采集海量设备数据上云并提供云端API，让Web应用和移动端APP可通过调用云端API实现数据的可视化显示或者将指令下发至设备端，实现远程控制的功能[8]，工作原理如图2所示。

图2 阿里云物联网平台工作原理

4监控应用层设计

在监控应用层，在Web应用和移动端的APP中集成物联网平台提供的JAVASDK，调用API获取阿里云平台的数据实时显示，并传递控制信号，从而实现对实验室使用数据和设备状态的实时监控。应用层主要包含Web应用和移动端APP。Web应用开发采用前后端分离这种目前最新的开发模式。前端采用Vue开发框架，后端采用Spring Boot和MyBatis框架。移动端APP采用目前市场占有率最高的Android系统，后续可根据需要再扩充其他操作系统。

应用层主要实现的功能如下：

（1）用户管理功能：不同的用户登录后具有不同的权限，能查看和控制的实验室是不同的，重要且敏感的系统功能只有高级管理员用户能使用。

（2）接入并运行AMQP客户端：下载阿里云物联网平台提供的JAVASDK，参考官方文档，完成业务代码编写，运行AMQP客户端，即可接收设备消息，将上报的数据存储到MySQL数据库中。

（3）数据的实时显示：在Web应用和移动端APP的页面实现各种指标数据的实时显示。

（4）开关控制和阈值设置：提供按钮进行开关控制，提供文本框进行阈值设置。控制和设置命令通过物联网平台转发，下发到设备端。

5系统测试

测试过程：在实验室运行整套硬件系统，查看Web应用的页面和手机APP上是否实时显示数据，显示的数据是否正常。

测试结果：阿里云物联网平台的物模型数据显示如图3所示，手机APP的测试页面如图4所示，Web应用的测试页面如5所示。

图4  阿里云物联网平台的物模型数据

图5  手机APP页面显示           图6  Web应用页面显示

经过测试分析，该系统能实时显示蓝牙传输采集数据，对异常数据也能报警并上报，在Web应用和手机APP都能实现远程控制实验室借入借出，使用者数据等情况，很好地满足了系统的设计要求。

6结语

本文结合了互联网、物联网和智能终端等技术，提出一个智能化管理实验室的解决方案，以解决目前高校实验室采用人工管理的方式带来的工作量大且无法及时发现现场出现的状况的问题。通过PLC实验室使用效果验证，本方案设计的系统成本较低、易于实现、应用场景广泛，可以针对各种室内场景进行定制化开发，具有一定的应用价值，可进一步推广。

参考文献

[1]乔丙立,姜建芳,徐慧.PLC控制系统远程实验室的设计与实现[J].中国现代教育装备,2015,No.209(01):36-38.

[2]苏泽荫,陈源毅,王华敏.基于物联网平台的高校实验室管理系统[J].物联网技术,2022,12(11):66-68+73.

[3]张继研,王宏伟,解永平等.基于自制仪器的PLC口袋实验室建设[J].中国高新科技,2021,No.106(22):18-19.

作者简介：

李莉；女；1982.08；甘肃平凉；汉族；研究生；副教授；控制工程。

王豪：男；2022.11；山东青岛，汉族，本科生，电气工程及其自动化。

刘伟丽；女；1985.06；山东济宁；汉族；研究生；副教授；智能控制。