一、引言

近年来，随着各种电子设备向集成化、智能化、网络化方向发展，物联网技术也随之发展壮大。物联网（IoT，Internet of things）技术是指在互联网基础上进行延伸和扩展，将各种设备通过互联网连接起来构成一个物物相连的互联网，实现物物互联互通[1]，极大地方便了信息交流和共享。传统的信息化管理系统仅停留在管理数据的智能存储、分析、统计上，缺乏物对物、人对物等的信息交流，尤其是不具有随时随地进行信息交流的特点。结合云数据和物联网技术的基于IoT的智能化管理系统应运而生，实现对物的远程运行状态监控，对物的远程数据传输和修改，提升对物的管理效能。

目前许多高校实验室数量众多，在开关门、实验运行、维护、日常管理方面都是人工操作、人工记录，实验室管理工作效率低。本文将研究基于IoT的实验室智能化管理系统，使用人通过手机即可实现实验室门锁的开关，同时后台记录开关门时间、使用人、使用时长、使用用途，旨在提高实验室管理工作的效率。

二、系统总体设计

本实验室智能化管理系统结构框图如图1所示。实验室使用人手持手机通过网络向云服务器（阿里云）申请登录、开锁、关锁等请求信息，云服务器验收后向移动端反馈请求，并通过网络向锁端发送控制命令，实现智能开关锁，同时云服务器在数据库里对开关锁记录时间、人员信息、房间及房间使用用途等信息。

三、系统设计

（一）锁端硬件设计

锁端硬件核心控制模块为树莓派。树莓派支持无线网卡，可以利用Wi-Fi功能实现网络数据传输。本系统采用型号为Raspberry Pi 3 Model B的树莓派，实现对电动锁的开关动作控制以及数据通讯功能。门锁采用电控模式，由树莓派控制12V继电器提供门锁的开关信号，当开锁控制信号来时，锁舌收缩即门锁打开，锁舌会一直保持收缩状态，直到关门门锁信号来时，才将锁舌伸出锁门，并一直保持该状态。

图1 实验室管理系统结构组成框图

图2 数据库关系描述

（二）网站搭建

网站通过Django这个开放源代码的Web应用框架搭建而成，用于云数据处理与交互。Django遵循 MTV 设计模式的框架，即模型（Model）、模板(Template)和视图（Views）模式[2]，减少了代码编写，提升了工作效率。

Django服务需要部署到阿里云云服务器上，实现外网访问，打破局域网的限制。部署方式为uWSGI+Nginx+WebSocket，uWSGI是一个Web服务器，实现Web的接收请求以及转发响应。Nginx是一个高性能的HTTP和反向代理web服务器，当访问量过大时，用来分配客户的请求连接和Web服务器，同时解析客户端发来的Http请求。服务器实现了门锁的控制信息的发布，对数据库数据的增删改查以及二维码的生成。与树莓派建立WebSocket的双向通信连接，实现开关锁命令能及时下发到树莓派。

（三）二维码生成

实验室使用人需要通过手机端扫描二维码来识别门锁信息，实现与特定门锁互联通信，进而登录服务器对特定门锁（特定实验室）进行信息交互。

二维码是通过Python的三方包（qrcode）中的QRCode方法生成的。该方法只需要提供几个基本的参数，即可生成对应的二维码。在本项目中，该二维码的内容是一个网址，服务端如果收到该请求，会提取网址中特定门锁的参数，根据该参数对相应的门锁发送开锁命令。管理员可以通过Django服务所提供的接口下载该二维码。

（四）MySQL数据库的设计

MySQL数据库表由用户表users、门锁表doorlock、开门理由表resion、开门记录表record组成。数据库关系描述如图2所示。

四、系统实现

实验室使用人通过微信扫一扫扫描门锁上的二维码，微信就会解析所扫描二维码的内容为网址，并向该网址发送请求，Django服务收到该请求会返回登录界面让用户登录，用户输入账号密码进行登录，登录后服务端会主动判断使用人及锁的状态，如果锁的状态为关，即可开门，页面如图3所示，用户必须选择开锁原因，才能点击开锁按钮。

此时会向服务端发送ajax请求实现开锁功能，服务端收到要开锁的锁名和开锁原因参数，根据锁名到数据库查询该锁的数据，并向锁名所对应的锁发送开锁命令该命令，树莓派收到该数据会解析出执行操作，同时反馈数据给服务端，服务端收到回复将门锁名保存到开门用户的door_name字段，在开门记录表保存一条数据，这条数据的关锁字段在关锁成功后才会存储对应的关锁时间，开门原因，开门用户等，由于关锁的操作和开锁类似，这里就不一一赘述。

文章来源：《智能城市》 网址: http://www.zncszz.cn/qikandaodu/2021/0522/1601.html