“互聯網+”背景下智慧實驗室的設計與建設

裴慧華，韋小鈴

（北部灣大學，廣西 欽州 535011）

0 引 言

隨著科技的進步，建設科技強國成為我國教育界需重點研究的方向。人才作為發展科技、提高國家競爭力的重要基礎，對國家科技發展具有重要影響。因此，教育發展必須“以人為本”。2018年10月，教育部印發的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》（以下簡稱“意見”）提出多項舉措來提高人才培養質量。其中，“推進現代信息技術與教育教學深度融合”的舉措中指出，要重塑教育教學形態，打造智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園，推動形成“互聯網+高等教育”新形態[1]。在互聯網發展背景下，智慧實驗室建設是高等教育人才培養的訴求之一。基于此，本文圍繞智慧實驗室的構成和需求，探索智慧實驗室的具體設計方案。

1 智慧實驗室的內涵

關于智慧實驗室的概念，目前學術界尚未形成統一的定義。有學者提出，智慧實驗室是以物聯網技術為核心，依托新一代信息技術為廣大師生提供全面智能感知的實驗環境和綜合性信息服務平臺，以此實現智能化、安全化、可視化管理，實現資源共享，即智慧實驗室=實驗室+物聯網+智慧化設備[2]。智慧實驗室的建設，離不開物聯網、云計算、人工智能等各類信息技術的支撐。

經過探索，國內部分高校在智慧實驗室建設方面已取得一定進展，但智慧實驗室的設計多側重于某個領域本身，難以廣泛推廣應用。本文探索通過綜合運用多項技術，升級實驗室硬件設備，打造智慧實驗室管理系統，提供良好的學習環境。

2 “互聯網+”背景下的智慧實驗室設計

2.1 建設目標

智慧實驗室建設的核心目標是實現教育智慧化。教育智慧化即在滿足教育實際應用的基礎上，利用互聯網和云計算等技術，構建教師端和學生端管理系統，形成課堂教學的全景式評價體系以及資源共享、協同管理的服務體系，為師生提供新的教學途徑，也為實驗室管理提供技術支持[3]。

2.2 智慧實驗室整體架構方案

“互聯網+”背景下，智慧實驗室的搭建主要以物聯網技術為基礎，由五大系統構成，分別是感知系統、信息傳輸系統、信息處理系統、執行系統以及管理系統，其構成原理如圖1所示[3]。首先，通過門禁、人臉識別、紅外感知及設備狀態感知等感知系統，采集相關數據，經由數據采集器、有線網絡及無線網絡等，將物聯網感知的信息傳輸至計算機服務器。其次，與服務器相關聯的分別是信息處理系統和執行系統。信息處理系統主要借助大數據、云計算等數據處理技術對收集到的信息進行處理分析，而執行系統主要將服務器發出的控制信息通過互聯網傳輸系統傳遞給各類執行設備，如門禁系統、排風閥門系統等。最后，在上述系統的協調配合下，管理系統實現對人員、設備、樣品、環境等的信息化、智能化管理。

圖1 智慧實驗室構成系統原理示意圖

2.3 系統功能架構

2.3.1 智慧管理系統設計

智慧管理系統包括對人員、設備、樣品、系統等的管理。智慧實驗室的智慧管理系統以物聯網為基礎，以智慧中心云平臺軟件為核心，結合射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，對實驗室內的設備、樣品貼上標簽，并對標簽進行錄入。人員管理系統包括教師端和學生端兩部分。教師端部分包括設備狀態查詢、設備管理、門禁授權、課程安排、報警推動等多項功能，如圖2所示。其中，設備狀態查詢和控制能夠對實驗室內情況進行實時監測，并及時解決實驗室出現的異常；門禁授權系統可以根據課程安排授予指定人員門禁權限，班牌管理主要是將云平臺的信息和必要的設備信息及學生信息推送給管理人員，方便進行管理。

圖2 教師端功能結構圖

2.3.2 智慧監控系統設計

智慧監控系統由傳感器、數據采集器、中繼器及控制器組成。如圖3所示，首先，由傳感器對其控制節點進行監測，例如門磁傳感器可以監測門的開關狀態，煙霧傳感器可以對實驗室內的煙霧濃度進行監測，從而進行火災判斷。其次，傳感器將數據傳輸到數據采集器，再由中繼器、路由器將數據傳輸到控制器，最后由控制器發出指令。

圖3 智能監控系統流程

2.3.3 數據處理系統

數據處理系統以MySQL作為后臺服務數據庫。該數據庫整體結構簡單，能夠同時支撐多個平臺使用，且部署較為簡單，執行速度較快。智慧實驗室數據處理系統使用Java應用程序，通過JDBC驅動連接到數據庫，并對系統數據進行分類儲存與管理[5]。

3 “互聯網+”背景下智慧實驗室的建設

3.1 服務器搭建

服務器是一種提供計算服務的設備，是一種高性能計算機設備。服務器能夠及時處理網絡其他計算機設備的服務請求，并滿足其需求[6]。在實驗室構建服務器，建立網絡連接，有效實現PC端、手機端及移動終端的通信，能夠接收并管理來自各方發送的數據及命令，用戶也能通過賬號密碼快速登錄，適用于權限管理。智慧實驗室服務器的搭建基于.NET Framework平臺，依托C#語言進行Socket網絡編程[7]。在網絡應用中，Socket通信多被用于數據傳輸中，及時將收集的數據傳輸到數據庫。

3.2 PC客戶端架構

PC客戶端不僅可以完成對實驗室的實時監控，還可以與實驗室的考核系統以及MSDS系統創建連接，從而完成數據顯示、設備控制、歷史查詢、故障報警以及管理權限等功能[8]。如圖4所示，整個系統雖然包含內容較多，但每個部分相對獨立，流程更清晰。

圖4 PC客戶端流程圖

3.3 移動端監控軟件建設

雖然PC客戶端能夠較為準確地完成對實驗室的監控，但與移動終端相比，PC端不方便隨時攜帶。因此，移動端監控軟件的建設能有效彌補PC端的不足，實現對實驗室的全面、及時監控。

移動端監控軟件開發可以通過Android Studio 2.3實現，利用智慧實驗室系統中的獨立服務器，建立移動端測控軟件與服務器的連接，實現數據之間的傳輸。在編程語言方面，選擇Java編程語言，實現移動端監控軟件對實驗室各類傳感器數據的全時段獲取。

4 結 語

隨著互聯網技術的發展，構建智慧實驗室成為實驗室未來發展的必然趨勢。通過智慧實驗室信息化平臺，能夠有效節約人力資源，提高實驗室資源管理成效，實現數據共享，為科研人員提供良好的實驗環境。