基于物聯網的智慧實驗室架構設計與實現

陳麗萍，陳惠濱

（集美大學信息工程學院，福建廈門361021）

基于物聯網的智慧實驗室架構設計與實現

陳麗萍，陳惠濱

（集美大學信息工程學院，福建廈門361021）

為了實現實驗室的"智慧化"運行，將教師從繁瑣的管理工作中解放出來的同時給學生提供自由靈活的實驗基地，提出了"智慧實驗室"的設計思想，闡述了基于物聯網的智慧實驗室的構建及具體內容，實現了實驗室管理、課堂管理、實驗室電源管理和環境管理的智慧化.

智慧實驗室；物聯網；實驗室管理

近年來，物聯網技術打破了人們的傳統思維方式，給人們的生活帶來非常大的變革［1-2］.物聯網是信息空間與物理空間的融合互通，能夠將人們周圍的一切事物數字化、網絡化、自動化、智能化，實現高效信息交互［3］.未來物聯網能夠像人體一樣，由中央處理單元進行協同運作，其不同感應識別末梢完成不同的功能，從而最終組成智能化的控制系統［4-5］.

實驗室是高等院校培養創新、創業人才的實踐場所，具有“引領創新、培養人才”的特殊使命.近年來，高校實驗室的信息化程度有了很大的提高，但是管理模式仍無法滿足實驗教學、基礎及專業實驗室開放、科學研究、創新創業人才培養等活動的需求.未來的高校實驗室需借鑒“頂層設計”的思想，利用物聯網技術、互聯網技術以及ARM技術來構建一個行之有效的智慧化管理系統，實現實驗室“智慧化”.

1 研究背景

1.1 物聯網的概念及其主要特征

物聯網是通過RFID、GPS、紅外感應器、激光掃描器等各種傳感器將任何物體以特定的通信協議連接在一起進行數據交換，從而實現智能識別、智能定位、智能跟蹤、智能監控和管理的一種網絡［6-7］.物聯網也就是“物物相連的互聯網”.物聯網具有全面感知、泛在互聯、智慧應用的特點［8］.

相較于傳統互聯網，物聯網具有幾個特點：

（1）全面感知、無處不在.Sensor、WSN是物聯網無處不在的感知手段，可以隨時隨地地獲取物體信息，實時性高、更新速度快、數據量大.

（2）實時可靠地傳遞.物聯網是一種泛在網絡，它建立在互聯網基礎上，并將各種有線通信網、無線通信網與其融合，從而將物體的數據信息準確地、實時可靠地傳輸出去.

（3）智能處理與控制.物聯網利用模式識別、云計算等技術，將傳感器與智能處理、智能控制相融合，對從各個傳感器上獲取的巨量數據信息進行分析和處理，實現智能處理與控制.

1.2 高校實驗室管理現狀

x1與 x3相關系數 R=-0.824，P=0.001＜0.05；x2與x4的 R=-0.973，P=0.000。可見：x1與 x3，x2與 x4均為顯著相關，建模時將作剔除處理。

隨著創新創業浪潮的席卷，國內各高校也越來越重視實驗室的信息化建設.雖然實驗室管理系統近年來得到了較快速發展，但普及率仍有待提高，部分高校還處在人工手動管理，實驗室的管理、實驗室的儀器、設備的日常維護和使用仍是人工手動紙質記錄，缺乏布局上的整體性與連貫性［9］.

高校實驗室管理還存在一些問題：

（1）儀器、設備管理.實驗教學儀器、實驗教學設備離散分布在各個實驗室，雖然有專人管理和保養，但都是人工手動紙質化管理，信息無法自動獲取，管理人員難以準確快速定位、跟蹤設備.

（2）環境、電源管理.實驗室照明、儀器設備供電不是自動地“智慧化”調節，造成一定程度的資源浪費.實驗室的環境無法實時監測，對潛在威脅無法提前預知并發出警告.隨著大量的實驗室作為開放式實驗室全天候隨時隨地提供給廣大師生使用，對實驗室的環境管理以及電源安全管理提出了更高要求，如何保障開放式實驗室的有效運行是許多高校實驗室管理中亟待解決的問題之一.

2 基于物聯網的智慧實驗室構建

2.1 智慧實驗室概念

“智慧實驗室”是以互聯網+為基礎，采用先進的信息化技術手段和軟硬件設備，集創新人才培養、數字化資源共享、互聯網+一站式服務為一體的多功能實驗室，這與傳統的實驗室存在本質上的區別［10］.

智慧實驗室即實驗室、互聯網、物聯網以及智慧化設備相結合的實驗室，它以物聯網技術為核心，建立“智慧化”的實驗室綜合管理平臺，實現實驗室的智能化、可視化管理，從而為實驗室的管理、教學和環境提供信息資源高度可控、統一協調的“智慧”服務.用戶-用戶、用戶-實驗室、用戶-信息資源、實驗室-實驗室間的通信都由智慧實驗室完成，不需要人工干預，這是智慧實驗室的頂級階段.

2.2 總體規劃

基于物聯網的智慧實驗室主要由3個層次的網絡組成，分別是廣域互聯網、局域以太網和無線傳感器網，總體架構見圖1.

圖1 總體架構

（1）智慧實驗室管理.主要包括：教務管理、開放預約管理以及物資管理3個部分.管理工作通過實驗室平臺管理系統完成，實現管理自動化無紙化，將教師從繁瑣的管理工作中解放出來.

教務管理智慧化.通過實驗室平臺管理系統進行課表導入、按班級排課、按教師排課、按實驗室排課以及多種類的實驗分配，解決實驗室資源短缺和學生空閑時間不確定的矛盾.從而實現實驗室資源的充分利用，實驗教學過程的合理安排，全面保障實驗教學任務的順利完成.

開放預約管理.實驗室管理員針對不同的實驗室做不同的開放安排，合理安排開放時段，學生通過實驗室平臺管理系統對需要進入的實驗室進行預約，實驗室管理員可在后臺及時查看預約信息，實時掌握儀器設備被預約的人、時、物等信息，合理安排儀器資源.

物資管理智慧化.分為實驗室耗材管理和實驗室報表數據管理.其中實驗室耗材管理包含耗材的采購申請、審批、采購、入庫、退貨、領用、退庫、經費等的管理，并對耗材的采購情況、損耗情況、使用情況、庫存情況等進行統計.實驗室報表數據管理實現面向對象（各級領導、教師、學生等）的綜合信息查詢，獲取實驗室資產的統計、儀器與設備的統計等各種分類統計信息，自動生成真實有效地數據報表，實現實驗室管理工作的無紙化，智能化.

（2）智慧課堂管理.包括門禁控制、RFID考勤管理兩個部分，通過ZigBee模塊與ZigBee網關進行無線通訊.

門禁控制.包括電子鎖和刷卡器兩部分.電子鎖安裝在實驗室門上，實現授權刷卡開門、分配座位、與電源控制聯動控制等功能.刷卡器則安裝在實驗室門外，學生一旦在預約時間內刷卡，節點服務器隨即發出相應指令完成開門功能.

RFID考勤管理.學生進出實驗室上課、或是自主實驗，根據學生在物聯網門禁系統的刷卡記錄自動生成考勤結果.

（3）智慧電源管理.包括電源控制和刷卡取電兩部分，同樣是通過ZigBee模塊和ZigBee網關進行無線通訊.

電源控制.通過ZigBee模塊控制繼電器，可實現對多臺設備的電源控制［11］.實驗室管理者可以通過局域網或Internet網絡對所有節點打開或關閉，實現遠程控制電源.

刷卡取電.學生使用校園卡完成身份認證為所預約的實驗儀器設備供電，身份不匹配則無權打開該節點，無權為所預約的實驗儀器設備供電.離開時則自動斷電.該節點有3種工作模式（同時具有遠程打開和關閉功能），具體見圖2.

（4）智慧環境管理：主要實現實驗室環境的實時監測并進行相應控制，如火災檢測、PM2.5檢測、溫度/濕度采集、光照度采集、聲光報警器等.前端傳感器單元感知相關環境參數并進行監測，然后控制實驗室設備進行相應操作，如燈光控制、電動窗簾控制、聲光報警控制等，應用詳情見圖3圖.

圖2 刷卡取電節點工作模式

圖3 實驗室環境智慧化管理

3 結語

一個基于物聯網的智慧實驗室的建立與應用是實驗教學的創新體現，提高了實驗室的管理水平和智慧化程度，不僅將教師從繁瑣的管理工作中解放出來，更好的去完成教學實驗以及進行科研創新，同時也為學生提供了自由靈活的實驗基地，對提升學生的自主創新能力有著非常重要的意義.同時，通過對電源和環境的“智慧”控制，最大限度地降低了實驗室的能耗，提高了實驗室的安全系數.

［1］吳健.智能化未來：從 M2M 到物聯網[J].中國電信業，2010（1）：54.

［2］王鵬.云計算的關鍵技術應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2010.

［3］吳蓬勃，李學海，楊斐，等.基于物聯網的智能實驗室研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34（3）：78-85.

［4］Amardeo C，Sarma J G.Identities in the Future Internet of Things[J].wireless Pers Commun，2009（49）：353-363.

［5］江雪梅，劉泉，張小梅.3G移動通信系統與物聯網創新實驗平臺建設[J].實驗技術與管理，2012，29（5）：133-135.

［6］劉輝.物聯網——引領智慧地球新時代[J].中國電子商務，2013（23）：44.

［7］劉昌鑫，陳慧娟，歐陽春娟，等.物聯網技術支持下的高校智慧實驗室構建探析[J].中國教育信息化，2016（7）：54-56.

［8］吳巍，吳渭，駱連合.物聯網與泛大網通信技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

［9］周春月，閆子淇.基于物聯網技術的智慧實驗室架構研究[J].實驗室研究與探索，3014，33（5）：239-243.

［10］周春樵，朱思征.基于互聯網+的“智慧創新實驗室”架構研究[J].改革與開放，2016（7）：82-83,84.

［11］鄒志宏，吳良，吳文化，等.實驗開放管理與安全保障[J].實驗室研究與探索，2012，31（7）：442-444.

Research on the Structure of Intelligent Laboratory Based on the Internet of Things

CHEN Li-ping,CHEN Hui-bin
（Information Engineering College,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian,China）

In order to realize the"intelligent"operation of the laboratory,which would make the teacher freed from the cumbersome management work and the students provided with a free and flexible experimental base,this paper puts forward the designing idea of the"Intelligent Laboratory",expounds the construction plan and concrete details of the intelligent laboratory based on the Internet of Things.It aims at the realization of the smart laboratory management,intelligent classroom management,laboratory power management and environmental management.

Intelligent Laboratory；Internet of things；laboratory management

TP391.4

A

1007-5348（2017）09-0027-04

2017-06-23

陳麗萍（1986-），女，江西吉安人，集美大學信息工程學院助理實驗師，碩士研究生；研究方向：信息系統.

（責任編輯：歐 愷）