基于阿里云生活物联网平台的远程实验室管理系统设计

林必忠  王佑

杭州万向职业技术学院   杭州   310000

摘要  介绍了基于阿里云生活物联网平台的远程实验室管理系统的设计。本设计以阿里云生活物联网平台为核心，对硬件电路设计，触摸屏端程序设计、手机端程序设计分别进行了介绍。远程实验室管理系统对实验台采用的是LoRa无线技术，可以通过阿里云平台，远程控制实验台；也可以触摸屏控制实验台。整个实验室的电参数，温湿度都可以通过阿里云平台，在手机上面进行显示，达到监控的目的。系统保护的三相电压、电流、重合闸时间值，必须以管理员权限，在触摸屏端进行设置。

关键字  阿里云；物联网；LoRa组网；实验室管理

一、研究背景

实验室作为实践教学中的重要手段，在学习和教学中扮演着重要的角色。实验室建设应以创新型人才培养为目标，充分调动和发挥实验人员的积极性和主动性。

实验室管理系统主要是对实验室实施全面的硬件管理，提高实验室的管理水平，是实验室实现硬件管理必不可少管理系统平台。基于以上的需求，设计了一款主要解决实验室本地的实验室电源管理、实验台控制、实验室电参数监控、门禁控制、系统参数设置等统一管理。另外实验室管理员管理的实验室比较多或者临时有事情不在学校实验楼的情况下，很难进行现场进行控制，就需要增加远程控制实验室电源管理、实验台控制、实验室电参数监控、实验室温湿度监控等功能。

二、 系统设计

远程实验室管理系统包含硬件电路设计，触摸屏端程序设计、手机端程序设计。

2.1硬件电路设计

硬件设计部分包含控制板供电电源设计；三相电压、电流、有功功率、功率因数、负载特性的判别、三相输入电源是否存在过压、过流、错相、缺相；实验台的无线控制；实验室总电源的控制；触摸屏和控制板的通信；控制板和阿里云生活物联网平台的通信；实验台无线接收电路设计。

2.1.1控制板供电电源设计

远程实验室管理系统中的触摸屏供电采用的是+24V/2A的开关电源供电，而控制板上面的处理器采用的是+3.3V供电。采用LM2596-3.3开关电压调节器,它是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KH2，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感。

2.1.2电信号处理电路设计

采用一款多功能高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线系统的应用。HT7038集成了6路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。

为了确保系统的安全性和可靠性，三相电压、电流都采用互感器进去取样信号，做到计量芯片输入信号与输入的三相电压、电流隔离。三相电压取样采用电压互感器PT107,输入电流和输出电流都为2mA。电流互感器采用CT102，输入电流：输出电流10A：5mA。

 2.1.3实验台的无线控制电路设计

远程实验室管理系统与实验台采用无线控制的方式，采用一款基于 SEMTECH 公司 SX1278 射频芯片的无线串口模块（UART），透明传输方式，工作在 410～441MHz 频段（默认 433MHz），LoRa 扩频技术。内置 PA+LNA，理想条件下通信距离可达 8km，传输距离优于传统 GFSK 等；支持全球免许可 ISM 433MHz 频段；支持 0.3k～19.2kbps 的数据传输速率。支持 3.3～5.2V 供电，大于 5V 供电均可保证最佳性能。

2.1.4实验室总电源的控制设计

实验室总电源的开启与断开采用交流接触器进去控制，交流接触器的容量根据实验室的供电容量进行选择，选择的使一款CJX2s-1210的交流接触器，额定电流12A。

2.1.5触摸屏和控制板通信电路的设计

触摸屏采用的是MCGS品牌中的 TPC7062TD，具有1个RS232和1个RS485接口，电源采用+24V电源供电。为了使触摸屏和控制板的通信更加稳定，采用的是RS485通信，因为本系统中的RS485接口电路采用的是电源输入与输出隔离，电源模块采用B0303M-1W。UART的发送、接收、控制全部采用光耦进行隔离。

2.1.6控制板与阿里云生活物联网平台通信电路的设计

要想使控制板与阿里云生活物联网平台连接，有两种方式：一种是以太网有线连接，另外一种是Wifi无线连接。以太网有线连接的电路比较复杂，这里不采用。采用的是Wifi无线连接，采用的是Esp8266模块，ESP8266是一款高性能的WIFI串口模块，内部集成MCU能实现单片机之间串口通信，是目前使用最广泛的一种WIFI模块之一。可以简单理解为一个WIFI转串口的设备，不用知道太多WIFI相关知识，只需要知道串口怎么使用就可以。

2.1.7控制板CPU电路的设计

控制板上CPU要处理三相电参数、实验台的无线控制、实验室总电源控制、触摸屏及阿里云生活物联网平台等这么多功能，所以在选择处理器的时候，选择一款功能强大的CPU，对比了各个厂家的CPU，综合比较，最终选择意法半导体厂家的STM32F103C8T6。

2.1.8实验台无线接收电路设计

实验台无线控制采用和实验管理器同样的无线模块，由于处理的数据量比较少，经过综合比较，采用了国产宏晶公司的STC15W408AS-SO16。

2.2触摸屏端程序设计

触摸屏端的程序采用MCGS嵌入版7.7组态软件设计，关于组态软件的怎么使用，这里不在赘述。触摸屏端的程序设计界面包含启动界面、主界面、实验台控制界面、电参数界面、参数设置界面、门禁界面等。

2.3手机端程序设计

使用阿里云生活物联网平台的任何产品，都需要实名认证，可以用支付宝账号关联登录或是手机号注册，然后再实名。设计过程包括用户注册或者登录、创建新项目和新产品、功能定义、人机交互、设备调试、批量投产。

三、应用前景

目前各高校的实验室数量比较多，学校对实验室的管理，投入了大量的人力。如果每个

实验室安装一个远程实验室管理系统，只要配一到两名实验室管理员就可以管理上百个实验室，也不需要亲自到各个实验室查看，只需要在手机上面就可以控制。

单个实验台的控制可以加入LoRa无线控制，不需要改变实验室原有的布线，只需要在实

验台内部加一个无线控制模块，就可以实验远程控制的目的。

此系统还可用于工业生产设备运行状态的监控与电源控制。

参考文献

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[2] 屈微，王志良. STM32单片机应用基础与项目实践. 清华大学出版社.2019-06-01.

 [3] 田会峰，张宝芳，赵丽. 单片机原理及应用系统设计-基于STC可仿真的IAP15W4K58S4系列. 机械工业出版社.2023-02-01.

 [4] 张奕雯，曹茗雨，倪海燕.  基于 LoRa的开放实验室电源管理系统设计[J].数据通信.2022 (05)：31-37

[5]  STM32F10x系列固件库使用手册（中文）

 [6]  STM32F103x8B_DS_CH_V10（stm32芯片手册）