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【摘 要】 设计基于物联网技术的物理实验室环境安全监控系统，包括物理实验室环境信息采集模块、数据采集模块、环境信息触发模块、数据存储模块和输出硬件接口模块。采用上位机平台实现物理实验室环境安全监控信息传输，构建传感器模块和信号联合调理模块实现对物理实验室环境信息特征分析，构建高频率数据信息处理模块。通过可编程的逻辑处理器，实现对物理实验室环境安全监控和优化控制。测试结果表明，设计的监控系统收敛误差较小，数据记录性能较好。
【关键词】 物联网技术;物理实验室;环境;安全监控;数据采集
Environmental Safety Monitoring System of Physics Laboratory
Based on Internet of Things Technology
Xia Chuanhong
（Hefei University， Hefei 230601， China）
【Abstract】 A physical laboratory environmental safety monitoring system based on Internet of Things technology is designed， including physical laboratory environmental information acquisition module， data acquisition module， physical laboratory environmental information trigger module， and data storage module and output hardware interface module based on Internet of Things. The upper computer platform is adopted to realize information communication of physical laboratory environmental safety monitoring， and the sensor module and signal joint conditioning module are constructed to realize analysis of physical laboratory environmental information characteristics， and the high-frequency data information processing module is constructed. Through the programmable logic processor， the physical laboratory environment safety monitoring and optimization control are realized. The test results show that the convergence error of the designed physical laboratory environment safety monitoring system is small and the data recording performance is better.
【Key words】 internet of things technology; physics laboratory; environment; safety monitoring; data acquisition
0 引言
智能物理實验室环境安全监控是实现智能物理实验室环境信息化智能管理的关键，通过构建环境监控系统，利用计算机、通信网络技术以及物联网技术，建立环境监控的嵌入式系统，提高智能物理实验室环境监控和信息化管理能力。在嵌入式系统中，结合人体探测仪、水浸监测、摄像头等智能监测设备，构建基于物联网技术的智能物理实验室环境监控系统，实现对物理实验室的信息化管理和监控[1]。
传统的物理实验室环境安全监控系统一般是通过安保人员实时查看监控画面，受到监控时间段的差异性以及环境限度的影响，导致监控效果不好，特别是按时间段现场进行巡视过程中，不能有效实现对异常情况处理。为了降低物理实验室环境监控的成本，提高监控可靠性，提出基于物联网技术的物理实验室环境安全监控系统[2]。
1 系统总体设计
1.1 环境安全监控系统总体结构模型
以防火、防盗以及防爆安全监控为目标对象，构建物理实验室环境安全监控系统的总体结构模型，包括物理信息分析模块和环境信息分析模型，通过自动切断危险电源，实现对物理实验室环境安全监控，采用基于ZigBee无线传感网络传输协议[3]。环境安全监控系统总体构架如图1所示。
根据图1所示，采用CS、SDI和CLK构成物理实验室环境安全监控系统的物联网组网控制协议，通过RS485总线实现物理实验室环境安全监控系统的主机总线传输控制，在I/O接口中实现物理实验室环境安全监控的传输控制和信息交互，采用路由总线配置，实现对物理实验室环境安全监控系统的网络拓扑结构设计[4]，得到的网络拓扑结构如图2所示。
本文的物理实验室环境安全监控系统网络拓扑结构设计方案，采用无线网络的物联网设计方法，在物理实验室环境中，采用微型传感网络装置，在MAC层均采用IEEE802.15.4协议标准构建物理实验室环境安全监控系统的传输层协议[5]，得到物理实验室环境安全监控系统的输出总线，如图3所示。 1.2 环境安全监控系统功能模块构造
构建物理实验室环境安全监控系统的功能模块，包括基于物联网的信息采集模块、数据采集模块、物理实验室环境信息触发模块、数据存储模块和输出硬件接口模块[6-8]，系统的功能模块构架如图4所示。
采用多个ZigBee节点进行物理实验室环境安全监控系统的机房物理信息传输和视频传输模块，采用视频数据分析，实现对物理实验室环境的动态监控识别，通过无线射频分析和RFID标签识别，构建物理实验室环境安全监控系统的物联网体系，采用多传感器融合结构实现对物理实验室环境安全监控的节点连接，电源适配器实现对物理实验室环境安全监控系统的电源供电，通过电源管理芯片进行DC转换控制[8]，采用气体传感器实现对物理实验室环境安全监控系统的物理信息采集，系统的硬件功能模块结构组成如图5所示。
2 系统硬件功能模块设计
2.1 信息处理模块
信息模块主要实现对物理实验室环境安全监控系统的信息处理和原始数据采集，采用多源传感信息处理方法，构建物理实验室环境安全监控系统的信息处理器，采用集成DSP实现对安全监控系统的信息融合，通过Um接口接入物理实验室环境安全监控系统的GPRS PL MN，在INTERNET标识模式下，构建物理实验室环境安全监控系统的输出总线层，由移动台地址的IP包实现对物理实验室环境安全监控的输出信息转发，GGSN接受物理实验室环境安全监控信息[9]，再转发到SGSN，继而传送到物理实验室环境安全监控系统的移动台上。物理实验室环境安全监控系统的信息处理结构流程如图6所示。
2.2 网络模块
物理实验室环境安全监控系统的网络模块是通过外部分组网络实现，通过移动台以无线方式连接到GPRS蜂窝上，实现物理实验室环境安全监控及物联网组网，物理实验室的网络监控分为信息输入层、适应层、输出层等，采用终端网络协议，建立物理实验室环境安全监控系统的网络接口，采用分组控制单元（PCU，Packet Control Unit）和监控系统的Gb接口单元（GBIU，Gb Interface Unit）实现物理实验室环境安全监控的接口控制，得到信令和传输接口分布如图7所示。
2.3 输出接口模块
物理实验室环境安全监控系统的Um接口层和物理层，采用射频接口总线传输控制方法，进行物理链路层分布设计，构建物理实验室环境安全监控的逻辑传输信道，得到高速数据链路规程HDLC协议。采用TaskBasic.postTask（）命令返回物理实验室环境安全监控的SUCCESS值，通过信源编码设计，实现物理实验室环境安全监控的事件驱动程序控制，构建输出接口成像模块[10]，得到输出接口硬件配置如图8所示。
构建物理实验室环境安全监控系统的高频率数据信息处理模块，通过可编程的逻辑处理器，实现对物理实验室环境安全监控和优化控制，利用FPGA 和CRIO 系统，实现物理实验室环境安全监控系统的硬件设计。
3 系统软件实现及仿真测试
设计物理实验室环境安全监控系统的软件开发平台，在云数据信息处理平台中，构建256KB闪存的CC2530F256控制协议，采用[ZigBee]协议栈（[Z-Stack]）进行输出总线控制，设置系统的输出分辨率为7至12位，采用串行的TWI存储器引导物理实验室环境安全监控的软件程序，通过协调器串口与GPRS模块实现网络传输控制，并通过UART、定时器、GPIO等緩存器控制内核电压，得到物理实验室环境安全监控系统软件实现流程，如图9所示。
为了测试本文设计的物理实验室环境安全监控系统的性能，测试系统的输出稳定性和实时性，设定数据传输协议的基本格式见表1。根据表1的数据传输格式，测试不同迭代次数下监控平台的数据误差，得到的结果见表2。
由表2可知，本方法输出误差均低于0.005，较文献[4]与文献[6]提出的方法低，说明本方法的收敛性能较好，监控数据记录性能有所提升。
4 结语
本文利用计算机、通信网络以及物联网技术，建立智能物理实验室环境监控的嵌入式系统，提高了其环境监控和信息化管理能力。构建物理实验室环境安全监控系统的信息处理器，采用集成DSP实现对环境安全监控系统的信息融合，通过可编程的逻辑处理器，实现对实验室环境安全监控和优化控制，利用FPGA 和CRIO 系统，实现物理实验室环境安全监控系统的硬件设计。本设计的系统输出稳定性和可靠性较好、收敛误差较小。
[参考文献]
[1] 张震.基于无线传感网络的运动损伤康复监控系统[J].现代电子技术，2018，41（21）：101-105.
[2] 戴永胜，陈相治. LTCC多级结构实现高性能微型带通滤波器的研究[J].现代电子技术，2016，39（24）：79-81.
[3] 刘玉梅，高美欢，王刚.星载激光测距数据与线阵影像的联合平差[J].北京测绘，2018，32（10）：1161-1164.
[4] 祝家东，陈宇.基于无线传感技术的健身苑所运动训练强度监测系统设计[J].科技经济导刊，2020，28（3）：34.
[5] 黄学雨， 徐浩特， 陶剑文. 具有特征选择的多源自适应分类框架[J]. 计算机应用，2020，40（9）：2499-2506.
[6] 汪旭东，孙伟翔，许孝卓，等.直驱多轿厢电梯系统的调度控制策略[J].武汉大学学报（工学版），2019，52（8）：716-721+728.
[7] 郭海宇，杨俊友，张晓光，等.永磁同步电梯门机改进型自抗扰控制策略[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（9）：191-198.
[8] 刘庆飞，马凯，谷海青.基于高频电压信号注入法的电梯门机无位置传感器控制策略[J].天津理工大学学报，2016，32（6）：15-19.
[9] SUN Y，XIAN Y，WANG W，et al. Monaural source separation in complex domain with long short-term memory neural network[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2019，13（2）：359-369.
[10]LUO Y，CHEN Z，MESGARANI N. Speaker-independent speech separation with deep attractor network[J]. IEEE/ACM Transactions on Audio，Speech，and Language Processing，2018，26（4）：787-796.
【关键词】 物联网技术;物理实验室;环境;安全监控;数据采集
Environmental Safety Monitoring System of Physics Laboratory
Based on Internet of Things Technology
Xia Chuanhong
（Hefei University， Hefei 230601， China）
【Abstract】 A physical laboratory environmental safety monitoring system based on Internet of Things technology is designed， including physical laboratory environmental information acquisition module， data acquisition module， physical laboratory environmental information trigger module， and data storage module and output hardware interface module based on Internet of Things. The upper computer platform is adopted to realize information communication of physical laboratory environmental safety monitoring， and the sensor module and signal joint conditioning module are constructed to realize analysis of physical laboratory environmental information characteristics， and the high-frequency data information processing module is constructed. Through the programmable logic processor， the physical laboratory environment safety monitoring and optimization control are realized. The test results show that the convergence error of the designed physical laboratory environment safety monitoring system is small and the data recording performance is better.
【Key words】 internet of things technology; physics laboratory; environment; safety monitoring; data acquisition
0 引言
智能物理實验室环境安全监控是实现智能物理实验室环境信息化智能管理的关键，通过构建环境监控系统，利用计算机、通信网络技术以及物联网技术，建立环境监控的嵌入式系统，提高智能物理实验室环境监控和信息化管理能力。在嵌入式系统中，结合人体探测仪、水浸监测、摄像头等智能监测设备，构建基于物联网技术的智能物理实验室环境监控系统，实现对物理实验室的信息化管理和监控[1]。
传统的物理实验室环境安全监控系统一般是通过安保人员实时查看监控画面，受到监控时间段的差异性以及环境限度的影响，导致监控效果不好，特别是按时间段现场进行巡视过程中，不能有效实现对异常情况处理。为了降低物理实验室环境监控的成本，提高监控可靠性，提出基于物联网技术的物理实验室环境安全监控系统[2]。
1 系统总体设计
1.1 环境安全监控系统总体结构模型
以防火、防盗以及防爆安全监控为目标对象，构建物理实验室环境安全监控系统的总体结构模型，包括物理信息分析模块和环境信息分析模型，通过自动切断危险电源，实现对物理实验室环境安全监控，采用基于ZigBee无线传感网络传输协议[3]。环境安全监控系统总体构架如图1所示。
根据图1所示，采用CS、SDI和CLK构成物理实验室环境安全监控系统的物联网组网控制协议，通过RS485总线实现物理实验室环境安全监控系统的主机总线传输控制，在I/O接口中实现物理实验室环境安全监控的传输控制和信息交互，采用路由总线配置，实现对物理实验室环境安全监控系统的网络拓扑结构设计[4]，得到的网络拓扑结构如图2所示。
本文的物理实验室环境安全监控系统网络拓扑结构设计方案，采用无线网络的物联网设计方法，在物理实验室环境中，采用微型传感网络装置，在MAC层均采用IEEE802.15.4协议标准构建物理实验室环境安全监控系统的传输层协议[5]，得到物理实验室环境安全监控系统的输出总线，如图3所示。 1.2 环境安全监控系统功能模块构造
构建物理实验室环境安全监控系统的功能模块，包括基于物联网的信息采集模块、数据采集模块、物理实验室环境信息触发模块、数据存储模块和输出硬件接口模块[6-8]，系统的功能模块构架如图4所示。
采用多个ZigBee节点进行物理实验室环境安全监控系统的机房物理信息传输和视频传输模块，采用视频数据分析，实现对物理实验室环境的动态监控识别，通过无线射频分析和RFID标签识别，构建物理实验室环境安全监控系统的物联网体系，采用多传感器融合结构实现对物理实验室环境安全监控的节点连接，电源适配器实现对物理实验室环境安全监控系统的电源供电，通过电源管理芯片进行DC转换控制[8]，采用气体传感器实现对物理实验室环境安全监控系统的物理信息采集，系统的硬件功能模块结构组成如图5所示。
2 系统硬件功能模块设计
2.1 信息处理模块
信息模块主要实现对物理实验室环境安全监控系统的信息处理和原始数据采集，采用多源传感信息处理方法，构建物理实验室环境安全监控系统的信息处理器，采用集成DSP实现对安全监控系统的信息融合，通过Um接口接入物理实验室环境安全监控系统的GPRS PL MN，在INTERNET标识模式下，构建物理实验室环境安全监控系统的输出总线层，由移动台地址的IP包实现对物理实验室环境安全监控的输出信息转发，GGSN接受物理实验室环境安全监控信息[9]，再转发到SGSN，继而传送到物理实验室环境安全监控系统的移动台上。物理实验室环境安全监控系统的信息处理结构流程如图6所示。
2.2 网络模块
物理实验室环境安全监控系统的网络模块是通过外部分组网络实现，通过移动台以无线方式连接到GPRS蜂窝上，实现物理实验室环境安全监控及物联网组网，物理实验室的网络监控分为信息输入层、适应层、输出层等，采用终端网络协议，建立物理实验室环境安全监控系统的网络接口，采用分组控制单元（PCU，Packet Control Unit）和监控系统的Gb接口单元（GBIU，Gb Interface Unit）实现物理实验室环境安全监控的接口控制，得到信令和传输接口分布如图7所示。
2.3 输出接口模块
物理实验室环境安全监控系统的Um接口层和物理层，采用射频接口总线传输控制方法，进行物理链路层分布设计，构建物理实验室环境安全监控的逻辑传输信道，得到高速数据链路规程HDLC协议。采用TaskBasic.postTask（）命令返回物理实验室环境安全监控的SUCCESS值，通过信源编码设计，实现物理实验室环境安全监控的事件驱动程序控制，构建输出接口成像模块[10]，得到输出接口硬件配置如图8所示。
构建物理实验室环境安全监控系统的高频率数据信息处理模块，通过可编程的逻辑处理器，实现对物理实验室环境安全监控和优化控制，利用FPGA 和CRIO 系统，实现物理实验室环境安全监控系统的硬件设计。
3 系统软件实现及仿真测试
设计物理实验室环境安全监控系统的软件开发平台，在云数据信息处理平台中，构建256KB闪存的CC2530F256控制协议，采用[ZigBee]协议栈（[Z-Stack]）进行输出总线控制，设置系统的输出分辨率为7至12位，采用串行的TWI存储器引导物理实验室环境安全监控的软件程序，通过协调器串口与GPRS模块实现网络传输控制，并通过UART、定时器、GPIO等緩存器控制内核电压，得到物理实验室环境安全监控系统软件实现流程，如图9所示。
为了测试本文设计的物理实验室环境安全监控系统的性能，测试系统的输出稳定性和实时性，设定数据传输协议的基本格式见表1。根据表1的数据传输格式，测试不同迭代次数下监控平台的数据误差，得到的结果见表2。
由表2可知，本方法输出误差均低于0.005，较文献[4]与文献[6]提出的方法低，说明本方法的收敛性能较好，监控数据记录性能有所提升。
4 结语
本文利用计算机、通信网络以及物联网技术，建立智能物理实验室环境监控的嵌入式系统，提高了其环境监控和信息化管理能力。构建物理实验室环境安全监控系统的信息处理器，采用集成DSP实现对环境安全监控系统的信息融合，通过可编程的逻辑处理器，实现对实验室环境安全监控和优化控制，利用FPGA 和CRIO 系统，实现物理实验室环境安全监控系统的硬件设计。本设计的系统输出稳定性和可靠性较好、收敛误差较小。
[参考文献]
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[3] 刘玉梅，高美欢，王刚.星载激光测距数据与线阵影像的联合平差[J].北京测绘，2018，32（10）：1161-1164.
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[9] SUN Y，XIAN Y，WANG W，et al. Monaural source separation in complex domain with long short-term memory neural network[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2019，13（2）：359-369.
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