物聯(lián)網(wǎng)技術視角下的智慧實驗室架構分析

朱振杰

山東大學機械工程學院機械工程國家級實驗教學示范中心（山東大學） 山東 濟南 250061

引言

高校實驗室日常應用的過程中所需承載的教學任務較為繁重，同時實驗室所開展的教學活動是高校組織學生進行研究性學習的重要方式。在高校校園信息化建設持續(xù)深入的大背景下，高校實驗室的信息化水平得到了顯著的提升與發(fā)展，智慧實驗室應運而生。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術視角下智慧實驗室的功能需求分析

1.1 環(huán)境感知需求

在高校智慧實驗室的運作過程中，實驗室操作的安全性與個性化控制的數(shù)據(jù)均來自系統(tǒng)收集到的實驗室環(huán)境參數(shù)，智慧實驗室對于環(huán)境感知的具體需求主要包括普通物理感知、光照環(huán)境感知、氣體環(huán)境感知和實驗室設備感知等多種感知需求，此類的感知數(shù)據(jù)均由智慧實驗室所安裝的傳感器來進行感知與上傳，并通過實驗室內部所配置的有線或是無線網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)層的傳輸。

1.2 視頻功能需求

在現(xiàn)階段高校智慧學習的應用過程中，相關工作人員往往會在各個實驗室安裝多個攝像頭來進行實驗室視頻數(shù)據(jù)的攝像頭采集，攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)則會通過專用網(wǎng)絡傳輸?shù)街腔蹖嶒炇业拇髷?shù)據(jù)模塊，管理人員則可通過大數(shù)據(jù)模塊的計算機或是手機終端來實時觀看和掌握每間智慧實驗室的運作情況，如師生的活動情況和各項軟硬件設備的運作情況等[1]。

1.3 智能控制需求

由于各個智慧實驗室都安裝了氣體、煙氣、溫度和濕度等指標的傳感器與控制器，因此控制系統(tǒng)需要通過傳感器和控制器來智能監(jiān)控與控制之后顯示中的各類物理指標，同時應通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)來綜合分析和操控實驗室各設備的運作狀態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)分析需求

在智慧實驗室傳感器信息上傳和分析的過程中，管理員可充分利用傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來統(tǒng)計與分析實驗室各軟硬件的使用狀態(tài)與使用進度，同時智慧傳感器平臺自身也可通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)狀況來判斷設備和系統(tǒng)是否存在異常，進行自動預警與報修操作。

1.5 通信需求

智慧實驗室控制系統(tǒng)的計算機和手機終端都應能夠通過智慧實驗室的無線節(jié)點接入到平臺的網(wǎng)絡當中，教師才可在此基礎上有序調動學生間與師生間的無線通信與交互。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術視角下智慧實驗室的架構設計

2.1 感知層

智慧實驗室的感知層是實驗室控制系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的主要來源，系統(tǒng)運作的主要目的就是對智慧實驗室運作過程中的海量數(shù)據(jù)進行全方位的感知，因此相關操作人員必須全方位分析智慧實驗室實體感知層的實際需求與最終信息的傳輸需求，合理選擇傳感器與控制器的類別與型號。

感知層主要分為數(shù)據(jù)感知節(jié)點和控制節(jié)點這兩部分，數(shù)據(jù)感知節(jié)點主要包含人臉識別、物理數(shù)據(jù)傳感和定位監(jiān)測等數(shù)據(jù)信息的感知與采集，數(shù)據(jù)控制節(jié)點則主要負責接收這些是用戶層面或是軟硬件應用層面?zhèn)鬏數(shù)南到y(tǒng)指令，可借助信息傳輸來完成插座供斷電、多媒體自動化遠程控制和其他軟硬件的自動控制操作。

除此之外，感知層所應用的智能讀卡器和人臉識別系統(tǒng)能夠充分利用智能實驗室的用戶信息來進行用戶個體的考勤與操作管理，同時也能夠全方位記錄學生的實驗情況和學習情況。

2.2 網(wǎng)絡層

智慧實驗室的網(wǎng)絡層主要是借助無線信號、有線網(wǎng)絡和WiFi等來為智慧實驗室內部與外部的通信提供網(wǎng)絡支持，能夠有效保障感知層與數(shù)據(jù)層等各層間網(wǎng)絡通信的順暢性，同時也面向各智慧實驗室用戶提供通信服務。

2.3 大數(shù)據(jù)層

智慧實驗室的大數(shù)據(jù)層主要負責接收感知層傳輸至數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)，而后對這部分數(shù)據(jù)進行綜合的分析挖掘和同構化處理，并將數(shù)據(jù)操作與處理的結果傳輸至應用層，并在此過程中將接收到的基礎設施異常情況進行自動化的分析與傳輸。

2.4 應用層

智慧實驗室的應用層主要包括實驗室系統(tǒng)的集成與遠程控制平臺，集成平臺主要將實驗室的軟硬件設備、用戶與實驗數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行集成化處理，并在數(shù)據(jù)高度共享的基礎上設置相應的正常化運作閾值，同時在此基礎上生成實驗室使用情況和學生學習情況的匯總表，能夠為智慧實驗室的個性化教學提供準確支持。

2.5 用戶層

智慧實驗室的用戶層主要通過計算機和手機終端等設備來進行用戶操作的完成與傳輸，教師和學生能用戶都能夠通過用戶層來進行軟硬件設備的預約和信息數(shù)據(jù)的分析，同時智慧實驗室的管理人員也能夠通過用戶層來查看和分析智慧實驗室的管理與操作軟硬件狀態(tài)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術視角下智慧實驗室的應用方案設計

相關工作人員可結合智慧實驗室Zig Bee協(xié)議的應用實況來設計實驗室的網(wǎng)絡拓撲，在相應的位置設置感知節(jié)點、路由器和網(wǎng)關，同時在智慧實驗室的環(huán)境感知層設置各類物理數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡，在自動控制層設置實驗室軟硬件的自動控制網(wǎng)絡，同步應用RFID技術來整合智慧實驗室的固定資產(chǎn)與資源。

與此同時，還應構建與智慧實驗室相對接的教學共享平臺子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可根據(jù)這個實驗室傳輸?shù)挠芯€與無線信息來實時查詢與分析每個學生的參與學習情況，進而基于此來為學生提供個性化的學習狀態(tài)分析。

4 結束語

綜上所述，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術概念的基礎上設計了海量數(shù)據(jù)采集與信息處理的智慧實驗室技術思路，構建了智慧實驗室的感知層、網(wǎng)絡層、大數(shù)據(jù)層、應用層和用戶層這五層實驗室架構，在智慧實驗室操作系統(tǒng)的完善與建設方面具有良好的參考價值。