基于物聯網技術的智能實驗室管理系統的研究與應用

劉君玲

（福建信息職業技術學院計算機工程系，福建 福州 350003）

一、研究的背景及意義

作為現代技能型人才培養和實踐教學的重要基地，實訓基地的建設水平和目標是國家示范性高職院校考核的一項重要指標，專業實驗室承擔著實踐教學的任務和科研的工作，實驗室管理水平既是高職院校建設工作的重要標志，也是院校綜合實力的體現，對深化教育改革和培養創新人才有著深遠的意義。［2］當前，由于人才培養和創新的要求，大部分高職院校實驗室基礎設施相對較完善，但是管理主要還是以人工為主，主要依靠實訓教師和設備管理人員的長時間監管來保證實驗教學的正常進行和實驗室的日常運行，實驗設備仍存在利用率低，維護與管理的技術落后，工作效率低下，數據的存儲、查詢與傳輸及使用困難，設備的數字化與智能化程序很低，嚴重制約了創新人才培養與素質教育的發展。另一方面，針對計算機專業課程，實踐操作性強，學生需要利用更多的課余時間來實踐才能掌握課程開發的要求，而大部分實驗室均不對外開放，不能滿足學生對實踐教學環節的需求。

當前，基于物聯網技術的智能家居、智能樓宇等［3］應用得到了廣泛的推廣，技術給整個應用環境帶來了智能化改變。因此，物聯網技術在智能家居、智能樓宇等方面的部分結構和特性應用于實驗室，［4］探索智能實驗室的模型，利用全新的技術手段和管理方法實現智能化監控和管理實驗設備、實驗過程，將大大提高實驗室的管理工作效率和水平。

文章以福建信息學院計算機工程系為例提出的智能實驗室架構旨在結合物聯網技術的發展，分析構建智能實驗室的宏觀環境和建設需求，提出具有普遍適應性和完整性的智能實驗室體系結構和應用模式，為我系創新實訓室建設提出解決方案。

二、創新實訓室建設的目的意義

創新實訓室主要是培養從事物聯網領域的系統設計、系統分析與運行、科技應用與研發的高等工程技能人才。通過建立一個完整的基礎的實訓架構體系，圍繞物聯網主題，兼顧目前IT技術的發展趨勢，讓學生和學員學通過各種無線傳感器網絡、智能視頻技術等教學實驗，模擬典型智慧校園、智能家居等實際應用，感知體驗與動手的結合、方案設計與實際驗證的結合，來培養學生合理的知識結構，使他們具備扎實的物聯網理論知識和實踐知識，并具備在物聯網領域跟蹤新知識、新技術的能力以及較強的物聯網應用能力，最終達到能讓學生獨立構架各種物聯網應用系統，提高動手能力，積累實踐經驗，提高水平的目的。

三、創新實訓室建設特點

物聯網創新實訓室以技術全面化、業務典型化、應用教學化三個方面為指導思想來進行設計與建設。

技術全面化主要解決技術知識層面的問題，物聯網從技術角度講分為三個部分：全面感知、可靠傳遞、智能處理，是傳統嵌入式技術的一種應用延伸，囊括從ARM接口技術、傳感器接口技術、微控制器驅動應用、無線網絡技術、ZigBee無線通信技術、6LoWPAN無線通信技術、IPv6無線通信技術、嵌入式操作系統、高級嵌入式網絡通信、智慧云中間件、Android移動應用、嵌入式服務器編程、智慧數據分析與挖掘等課程資源的學習。其中，智能家居的關鍵技術有：網絡結構技術、組網與控制技術、傳感器終端技術、中間件平臺技術與智能家居業務平臺這五大類。作為物聯網中智能家居行業應用實訓產品，智能家居認識實訓平臺，向廣大中高職、本科學生提供了基于專業教學基礎上的行業綜合應用實訓教學，立足與物聯網關鍵技術知識點，并向整個行業項目操作過程的專業實訓進行輻射。

業務典型化主要將企業的成功商業模式及行業應用如智能家居認知實訓平臺是一組基于ZigBee傳感技術的室內環境檢測智能設備，可檢測實訓環境空氣中的溫濕度情況及地板的水浸情況。通過模塊化的檢測單元可方便簡單的實現對實訓環境數據的拓展檢測。移動客戶端應用軟件、云平臺軟件均可為用戶提供室內環境數據展現、環境異常提醒等服務，實訓管理人無論身在何方，均可能過手機或平板隨時了解實訓場景內環境狀況使學生在實訓的得到真實行業產業應用。

應用教學化：基于物聯網技術基礎教學完美展現物聯網智能家居行業的應用，通過設計一整套完整的智能家居應用實訓：智能溫濕度傳感實驗；智能水浸探測實驗；智能可燃氣體探測實驗；智能煙感探測實驗；智能一氧化碳探測實驗；智能開關控制實訓；智能燈光控制調光實訓；智能情景模式設置實訓；智能家電控制實訓；智能電動窗簾控制實訓；智能門禁控制實訓；智能視頻監控實訓；智能異常報警實訓；體現教學實訓一體化設計，向廣大師生用戶提供：基礎教學+行業實訓一體化的產品，做到理論與實際操作相結合，培養復合型專業技術人才。

四、物聯網創新實訓室建設方案

（一）方案概述

福建職業信息技術學院物聯網創新互動實訓室面積建議100-120平方米，分為理實一體化實訓學習區及互動實驗區，兩個區域在空間上相互融合，互動實驗區的各個創新實訓室設備真實運用在教室日常各個環節。整個實訓室主要由8套六角桌、48臺PC，一套智能教室互動實驗實訓平臺及新大陸物聯網云平臺軟件構成，整個實訓室可讓40-48名學生同時實訓。

統一的云平臺管理軟件能夠實現老師對實訓項目的個性化生成及發布，每組學生即可以登錄老師所發布的不同頁面進行實驗，每節實驗課各組學生之間實驗實訓互不干擾。同時，云平臺的API接口與實驗軟件的源代碼均根據教學要求開放，使得學生從認知、互動、安裝部署直到后臺軟件研發層面可全程參與。不僅避免了傳統互動實訓室認知與實訓兩部分脫離的情況，而且高度與實際行業應用的互動結合，最大程度激發學生學習與創新熱情。

（二）實訓室建設規劃

1.實訓學習區

實訓學習區采用8套的六角桌及48臺電腦，老師在該實訓室就可以進行理論知識的教學，可以圍繞著“采集、傳輸、處理、應用”四大核心領域，展示智能教室建設各項新技術、新產品、新裝備、新工藝，讓學生了解當前智能家居技術、發展趨勢，以及相關產品。學生學習完，可以進行相應的討論，然后到互動體驗區進行相應的實訓。

2.互動實訓區

該區域提供物聯網智能家居實際應用展示，以最直觀的互動體驗方式展示物聯網各項技術在創新實訓室中的應用場景。除此之外，其中的每項展示環節，學生均能參與其中的規劃、部署、安裝、調試、開發環節，既能激發學生學習與創新的熱情，又達到理論與實踐結合的效果，完成體驗與研發的多種教學任務。

該區域將分為四塊內容供8組學生進行相應的實訓實驗

（1）合理分組教學實訓一體化

實訓室的居家控制系統可以分三組學生進行實訓

第一組學生：控制實訓室燈光的實驗；

第二組學生：控制實訓窗簾的實驗；

第三組學生：控制實訓室設備如：投影儀的、空調等實驗；

實訓室的環境監測系統分一組學生進行實訓

第四組學生：采集實訓室的環境數據實驗如：室內的溫度與濕度等；

安防監控系統可以分三組學生進行實訓；

第五組學生：控制調取實訓室監控設備實驗；

第六組學生：控制實訓室門禁實驗；

第七組學生：控制實訓室防盜實驗；

娛樂影音系統分一組學生進行實訓

第八組學生：控制實訓室的娛樂影音設備實驗；

（2）系統功能擴展應用化

該系統支持學生開發的應用軟件/文檔等資料，存儲于個人PC電腦。

該系統支持課后老師登錄云平臺，用其高級賬號，可迅速清除其賬號下學生賬號的所操作的痕跡與記錄

（3）整體系統功能靈動化。

整體系統可以根據需要，解除學生客戶端與系統綁定，實現教師客戶端直接控制整個系統的完整運行。

（三）智能家居互動體驗平臺

智能家居認知實訓平臺是將智能家居控制系統真實安裝在實訓室環境中，將實訓室中的真實布景的家居環境，如燈光、電器、窗簾等進行智能控制，并提供日常防護與異常報警的安防監控套件，與環境監測等套件相結合，給老師與學生有真實的智能家居體驗系統。通過該系統可以認知整套智能家居控制系統與實際環境、實際受控設備之間的關系，掌握在具體應用中所涉及的技能知識，理解智能家居系統應用的整體規劃與方案。該系統集教學、實訓和體驗功能于一體，圍繞智能家居主題，注重各種設備之間的融合與靈活應用，按照教學的獨特設計將智能家居各功能設備組合成不同的應用場景。體現了物聯網感知層、網絡層、應用層在智能家居上的應用與實訓室建設的先進性。

1.平臺特點

（1）教學實訓一體化。基于物聯網技術基礎教學之余，完美展現物聯網智能家居行業應用，體現教學實訓一體化設計，向廣大師生用戶提供：基礎教學+行業實訓一體化的產品，做到理論與實際操作相結合，培養復合型專業技術人才。

（2）教學資源系列化。從教學知識點、課程學時、教材課程的設計、以及實訓項目和其他配套的軟性教學服務，內容層次遞進，從基礎技術到行業應用，從理論知識到實際操作訓練，從技術層面到整個行業應用項目方案掌握，本產品提供系列化教學服務體系。

（3）課程設計多層化。結合中高職院校的廣大學生的就業方向，以及企事業用人單位的招工崗位實際要求，本產品提供不同階梯的課程設計，滿足中高職、本科院校的廣大師生的教學需求。

中職學校：除理論知識外，側重于系統搭建、配置、安裝、調試與部品故障初判、簡單維修等其他需求。高職學校：在中職學校需求的基礎上，滿足行業應用操作、項目方案制作、行業招投標操作等其他需求。

（4）系統架構智能化。一體化控制，簡單安裝、部署、組網、操控，智能示警等，體現物聯應用智能化設計。

（5）物聯應用擴展化。系統全方面展現物聯網智能家居行業應用之余，還拓展到智能家居行業相交集的物聯網其他行業的應用，如：樓宇對講與智慧遠程醫療。不局限于單個行業，而是真正的做到物聯應用系統化。

2.主要功能

（1）智慧中心

智能家居認知實訓平臺智慧中心，分為基礎網絡支持、系統控制、云信息服務三大構架。其中：基礎網絡支持：配置高性能的路由器，可保障長時間高效工作。

系統控制：配置智能家居網關與智能平板（或智能手機），可通過智能家居網關的組網，對智能家居設備進行智能化便捷控制；智能家居網關是整個系統的核心部品。

云信息服務：則是本產品提供了一套智能家居設備應用平臺，包括客戶端軟件以及智能家居云。

（2）居家控制套件

智能家居認知實訓平臺居家控制套件，是基于ZigBee傳感技術的控制家居設備的控制套件，通過這套件可以將家居設備分類別模塊的進行智能化控制，分為：智能燈光控制系統、電動窗簾控制系統、智能控制系統。

（3）娛樂影音套件

智能家居認知實訓平臺娛樂影音套件，采用基于ZigBee傳感技術的智能插座、智能控制面板、紅外轉發器設備對家居娛樂設備（電視、音響系統）以及會客、影院等多種情景模式進行設定與控制，實現家庭娛樂的目的。

（4）居家控制套件

智能家居認知實訓平臺環境監測套件，是一組基于ZigBee傳感技術的室內環境檢測智能設備，該套件可檢測家居環境空氣中的溫濕度情況及廚房衛生間地板的水浸情況。

通過模塊化的檢測單元可方便簡單的實現對家居環境數據的拓展檢測。移動客戶端應用軟件、云平臺軟件均可為用戶提供室內環境數據展現、環境異常提醒等服務，無論身在何方，隨時了解室內環境狀況。

（5）安全防護套件

智能家居認知實訓平臺安全防護套件由一整套基于Zigbee技術的傳感器、無線攝像頭、智能門鎖組成，旨在向用戶提供高效、穩定、操作便捷、智能控制的安全防護系統。其中：

傳感器可對家中的可燃氣提、光電煙霧和一氧化碳進行偵測和報警。

智慧門鎖與門、窗磁組成了一個門禁系統，提供指紋、RFID和遠程開鎖功能，配合智慧中心可探測門、窗是否存在異常入侵并提供報警功能。

采用網絡無線攝像頭方案免去復雜的布線和調試，支持四區域移動幀測，支持遠程進行訪問。紅外傳感器支持入侵防范于布防，保證整個居家的安全。

（三）系統結構

圖1 智能家居互動體驗平臺拓撲圖

五、結束語

基于物聯網技術的智能實驗室管理系統的是以物聯網技術為核心，以技術全面化、業務典型化、應用教學化三個方面為指導思想進行建設的一個全面的智能感知的實訓環境和綜合信息服務平臺。［5］通過建立創新實訓室，建設一個教、學、研、培訓認證統一的實訓平臺，不僅為學生提供良好的實驗實踐平臺，提高他們的動手能力，積累實踐經驗，提高學生的水平；同時為教師提供物聯網應用研究的科研平臺，通過創新實訓室設備促進教師與科研人員進行更好的科研研究，為教師、學生和管理人員提供智能化、安全化、可視化的管理平臺。