物聯網+大數據技術下實驗室建設前景

灣曉芳

（西安財經大學行知學院，陜西 西安 710038)

1 物聯網+大數據技術下實驗室建設的必要性

隨著“十三五”發展中對現代信息技術的創新與信息化建設力度的加大，云計算、物聯網等核心技術應用得到普及，同時信息化已成為發展新常態。尤其是物聯網大數據平臺的構建，為信息化應用提供了可視化、數據采集與處理、預測預警等功能，從多方面創造出數據化管理的條件，以加強實驗室的信息服務能力。在物聯網+大數據技術的支持下，實驗室信息化建設得以推進。借助物聯網+大數據技術，通過對社會經濟狀態與發展趨勢等進行客觀分析，并滿足實驗室建設中“以數據為支撐制定管理方案”的要求[1]，特別是在《大數據產業發展規則（2016-2020年）》的推動下，實驗室建設的進展步伐明顯加快。

近些年，物聯網+大數據應用發展迅猛，據《中國在按數據產業發展前景與投資戰略規劃分析報告》顯示，從2015年開始我國大數據進入快速發展階段，至2020年,大數據產業規模從2 800億元增長至10 100億元，從2020年至今，仍處于勻速上漲趨勢。實驗室應充分利用物聯網和大數據技術的優勢，通過改革實驗室建設，挖掘其潛在的教育優勢，并逐步推進數字化變革[2]。物聯網和大數據技術為實驗室建設提供了重要的前提條件，并有效改善了實驗室傳統模式下存在的問題，如實驗室資源浪費嚴重、自主學習環境不理想、實驗室儀器設備管理難度大等。因此，實驗室迫切需要引入物聯網和大數據技術，建立更完善的信息化管理體系，以提高實驗室效率[3]。

2 建立實驗室系統建設框架和設計網絡拓撲結構

2.1 實驗室系統建設框架

將物聯網+大數據技術運用到實驗室的建設中，綜合高校實驗室的改革現狀，積極對實驗室系統建設框架進行科學設計，以高校實驗課程及開放式實驗為載體，優化實驗室建設框架，擴大實驗室建設與發展空間[4]。

2.2 實驗室網絡整合與協同化管理

實驗室系統的網絡拓撲結構基于物聯網和大數據技術，并結合智能化設備，通過網絡信息中心實現整合。這樣可以統一涵蓋數據處理、設備接入和綜合應用等環節，充分利用物聯網+大數據技術資源和實驗室資源[5]。在此基礎上，提出了建立綜合性實驗信息平臺的設想，該平臺具有開放性和智能性的優勢，增強實驗室系統的協同性。采用無線網絡通信技術、自動控制技術和綜合布線技術等，合理配置實驗室的教學資源，滿足教師教學指導和學生實驗探索的需求。這為實現實驗室設備的共享和聯合做好了充分準備。通過模擬不同實驗活動情景進行仿真，可以建立一個信息化的實驗室環境，并利用科學的網絡拓撲結構，進一步提高實驗室儀器設備的使用效率[6]。

3 物聯網+大數據技術下實驗室建設策略

3.1 RFID技術在實驗室建設中的智能化管理應用

在物聯網+大數據技術的背景下，實驗室建設具有良好的前景。其中，R FI D技術的科學應用可以有效地實現實驗室儀器設備和物資的統一管理。根據實驗室設備建設管理需求，可以實施分類管理計劃，并利用RFID技術對儀器設備和實驗室物資進行編號并上傳至實驗室管理系統數據庫，以便于科學管理。通過采用RFID技術，實驗室可以實現對設備的開啟、使用、進出和定位等細節進行數據處理和記錄。這樣，實驗室內部的數據管理模式得到了優化，提高了實驗室材料的管理水平，同時也保障了實驗室設備的安全性。RFID技術的智能化管理在實驗室建設中發揮著重要作用。

3.2 應用實驗室開放預約系統技術

在實驗室的建設過程中，要將物聯網+大數據技術應用到實驗室的建設中，以實驗室的開放性與學生的自主實驗等需要為依據，利用大數據技術，建立一個網絡預約平臺，為學生、教師等提供網絡預約服務。教師與學生可以根據自身需求，預約實驗室使用時間，這樣就可以做到實驗室儀器設備錯峰使用，有效地完成實驗活動，緩解實驗室儀器設備使用矛盾，提高空儀器設備使用率，充分發揮出實驗室利用價值[7]。

另外，實驗室建設在物聯網+大數據技術的推動下，也打破了以往的局限。現在，網絡技術和實驗計劃等業務可以納入實驗室預約的流程中。同時，在實驗室設備的使用和管理過程中，建立了嚴格的實驗室安全管理體系，以確保按規定進行操作，并對儀器設備的使用進行責任追查。

物聯網+大數據技術的應用還體現在信息管理系統的建設上。借助實驗室智能化建設，利用網絡預約服務平臺作為載體，實時管理實驗室信息。預約信息經過主動審核后，申請者可以獲得預定好的實驗室使用時間。在使用實驗室時，申請人員必須重視實驗室管理，特別是對使用人員操作行為和儀器設備安全的關注。需要及時設置使用權限，并配合實驗室門禁管理，以確保實驗室預約服務與設備使用的安全性。

3.3 實驗室監控系統的建設應用

在實驗室監控系統的設計與建設中，主要利用ZigBee技術，構建實驗室智慧監控系統。實驗室監控系統組成具體詳見圖1。

圖1 實驗室監控系統設計框架圖

實驗室智慧監控系統的核心設計基于ZigBee協調器，根據實驗室監控需求，設置ZigBee終端，劃分多個模塊，對實驗室進行全方面監控。實驗室智慧監控是監控系統，主要包括以下模塊。

（1）主控CPU模塊：在該模塊中ARM內核是關鍵，目前實驗室智慧監控系統常用的CPU內核芯片包括兩種，其一為ST公司生產制造的ARMCortex-M3芯片，其二為三星ARMCortex-A8芯片，本文中的實驗室監控系統芯片為ST公司生產制造的ARMCortex-M3芯片。

（2）ZigBee模塊：目前市場上最廣泛應用的芯片類型是2.4 GHz，如UBEC、TI/Chipcon以及Jennie，ZigBee無線網絡中的ZigBee模塊中應用最普遍的芯片是CC2430、CC2530[8]。

（3）傳感器模塊：傳感器是智能監控系統運行的重要組成部分，利用傳感器可及時采集實驗室現場環境數據并將其存儲至管理數據庫，方便實驗室管理人員查詢與提取。實驗室智慧監控系統配備了多種傳感器，包括紅外傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器等，實時采集實驗室周圍環境數據，對實驗室煙霧環境、溫濕度變化等進行監測。

除了上述模塊，在實驗室智能監控系統中，還設置了門禁模塊、串口與RFID模塊等，這些模塊可以讓實驗室監控全覆蓋，以此來擴大實驗室監控范圍，讓實驗室實時監測成為可能，確保實驗室安全運行。

通過融合物聯網+大數據技術，并升級監控系統，實驗室智慧監控得到了進一步完善。新加入的智能視頻功能提高了監控系統的能見度，使監控系統成為實驗室管理和建設中的重要組成部分。使用智能視頻技術，可以隨時了解實驗室現場的情況，并方便進行遠程監控。考慮到實驗室每天進出人員眾多、開放性、創新性和共享性等特點，智能化的視頻監視技術能夠獲取實驗室內各種數據，并為學生的實驗操作提供良好的指導。在此基礎上，利用可視化的智能技術，能更好地預警并處理實驗室可能出現的危險和隱患。

3.4 實驗室數據庫建設與智慧實驗教學設計

在實驗室建設過程中，物聯網+大數據技術涉及到數據庫建設和智能實驗教學設計。首先，數據庫在實驗室管理、設備物質信息存儲和實驗數據整理等方面起到重要作用。通過物聯網+大數據技術，實驗室可以建立智能數據庫。利用大數據技術，實驗室可以及時整理和記錄人員信息、場地信息、使用記錄和實驗情況，并將其實時存儲到數據庫中，方便管理者進行信息查詢和管理。此外，數據庫還可以對實驗室的儀器設備和實驗物資進行詳細記錄，包括使用變動和運行情況，為儀器設備的檢修和實驗物資的采購提供參考，并幫助提高實驗室管理水平。其次，智慧實驗教學的設計基于物聯網技術+大數據技術，通過設計實驗教學網站并以學生學習需求為依據，制定實驗教學計劃并合理利用實驗室資源。這不僅保證了實驗教學的順利展開，還有效培養了學生的實踐能力。實驗室對網絡上的學習信息進行整理，并根據這些信息科學調整實驗教學計劃，提高了實驗室教學資源的使用效率。

4 結束語

綜上所述，利用物聯網+大數據等技術，對實驗室的建設可行性進行了驗證。尤其在智慧校園的發展背景下，實驗室建設需要緊跟時代步伐，進行智慧化建設，不斷提升實驗室管理的信息化水平，以適應新形勢的發展需求。

通過構建實驗室智慧監控系統，特別是應用智能視頻技術，可以提升實驗室監控管理的質量。同時，科學地應用RFID技術來管理實驗室設備，靈活預約實驗室，建立實驗室智能數據庫和智慧實驗教學體系，實現實驗室儀器設備的有效使用，最大化實驗室教育的價值。這些措施為實驗室建設提供了新的發展方向和機遇。■