陳麗萍，陳惠濱

（集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建廈門361021）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳麗萍，陳惠濱

（集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建廈門361021）

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的"智慧化"運(yùn)行，將教師從繁瑣的管理工作中解放出來的同時給學(xué)生提供自由靈活的實(shí)驗(yàn)基地，提出了"智慧實(shí)驗(yàn)室"的設(shè)計思想，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建及具體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室管理、課堂管理、實(shí)驗(yàn)室電源管理和環(huán)境管理的智慧化.

智慧實(shí)驗(yàn)室；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室管理

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打破了人們的傳統(tǒng)思維方式，給人們的生活帶來非常大的變革［1-2］.物聯(lián)網(wǎng)是信息空間與物理空間的融合互通，能夠?qū)⑷藗冎車囊磺惺挛飻?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化，實(shí)現(xiàn)高效信息交互［3］.未來物聯(lián)網(wǎng)能夠像人體一樣，由中央處理單元進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作，其不同感應(yīng)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(tǒng)［4-5］.

實(shí)驗(yàn)室是高等院校培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)人才的實(shí)踐場所，具有“引領(lǐng)創(chuàng)新、培養(yǎng)人才”的特殊使命.近年來，高校實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)、基礎(chǔ)及專業(yè)實(shí)驗(yàn)室開放、科學(xué)研究、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)等活動的需求.未來的高校實(shí)驗(yàn)室需借鑒“頂層設(shè)計”的思想，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及ARM技術(shù)來構(gòu)建一個行之有效的智慧化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室“智慧化”.

1 研究背景

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及其主要特征

物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID、GPS、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種傳感器將任何物體以特定的通信協(xié)議連接在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)智能識別、智能定位、智能跟蹤、智能監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)［6-7］.物聯(lián)網(wǎng)也就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”.物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、泛在互聯(lián)、智慧應(yīng)用的特點(diǎn)［8］.

相較于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)具有幾個特點(diǎn)：

（1）全面感知、無處不在.Sensor、WSN是物聯(lián)網(wǎng)無處不在的感知手段，可以隨時隨地地獲取物體信息，實(shí)時性高、更新速度快、數(shù)據(jù)量大.

（2）實(shí)時可靠地傳遞.物聯(lián)網(wǎng)是一種泛在網(wǎng)絡(luò)，它建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，并將各種有線通信網(wǎng)、無線通信網(wǎng)與其融合，從而將物體的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確地、實(shí)時可靠地傳輸出去.

（3）智能處理與控制.物聯(lián)網(wǎng)利用模式識別、云計算等技術(shù)，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(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)智能處理與控制.

1.2 高校實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀

x1與 x3相關(guān)系數(shù) 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(guān)，建模時將作剔除處理。

隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)浪潮的席卷，國內(nèi)各高校也越來越重視實(shí)驗(yàn)室的信息化建設(shè).雖然實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)近年來得到了較快速發(fā)展，但普及率仍有待提高，部分高校還處在人工手動管理，實(shí)驗(yàn)室的管理、實(shí)驗(yàn)室的儀器、設(shè)備的日常維護(hù)和使用仍是人工手動紙質(zhì)記錄，缺乏布局上的整體性與連貫性［9］.

高校實(shí)驗(yàn)室管理還存在一些問題：

（1）儀器、設(shè)備管理.實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備離散分布在各個實(shí)驗(yàn)室，雖然有專人管理和保養(yǎng)，但都是人工手動紙質(zhì)化管理，信息無法自動獲取，管理人員難以準(zhǔn)確快速定位、跟蹤設(shè)備.

（2）環(huán)境、電源管理.實(shí)驗(yàn)室照明、儀器設(shè)備供電不是自動地“智慧化”調(diào)節(jié)，造成一定程度的資源浪費(fèi).實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境無法實(shí)時監(jiān)測，對潛在威脅無法提前預(yù)知并發(fā)出警告.隨著大量的實(shí)驗(yàn)室作為開放式實(shí)驗(yàn)室全天候隨時隨地提供給廣大師生使用，對實(shí)驗(yàn)室的環(huán)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(shí)驗(yàn)室的有效運(yùn)行是許多高校實(shí)驗(yàn)室管理中亟待解決的問題之一.

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

2.1 智慧實(shí)驗(yàn)室概念

“智慧實(shí)驗(yàn)室”是以互聯(lián)網(wǎng)+為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的信息化技術(shù)手段和軟硬件設(shè)備，集創(chuàng)新人才培養(yǎng)、數(shù)字化資源共享、互聯(lián)網(wǎng)+一站式服務(wù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)室，這與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室存在本質(zhì)上的區(qū)別［10］.

智慧實(shí)驗(yàn)室即實(shí)驗(yàn)室、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及智慧化設(shè)備相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室，它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，建立“智慧化”的實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化、可視化管理，從而為實(shí)驗(yàn)室的管理、教學(xué)和環(huán)境提供信息資源高度可控、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的“智慧”服務(wù).用戶-用戶、用戶-實(shí)驗(yàn)室、用戶-信息資源、實(shí)驗(yàn)室-實(shí)驗(yàn)室間的通信都由智慧實(shí)驗(yàn)室完成，不需要人工干預(yù)，這是智慧實(shí)驗(yàn)室的頂級階段.

2.2 總體規(guī)劃

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室主要由3個層次的網(wǎng)絡(luò)組成，分別是廣域互聯(lián)網(wǎng)、局域以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)，總體架構(gòu)見圖1.

圖1 總體架構(gòu)

（1）智慧實(shí)驗(yàn)室管理.主要包括：教務(wù)管理、開放預(yù)約管理以及物資管理3個部分.管理工作通過實(shí)驗(yàn)室平臺管理系統(tǒng)完成，實(shí)現(xiàn)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(wù)管理智慧化.通過實(shí)驗(yàn)室平臺管理系統(tǒng)進(jìn)行課表導(dǎo)入、按班級排課、按教師排課、按實(shí)驗(yàn)室排課以及多種類的實(shí)驗(yàn)分配，解決實(shí)驗(yàn)室資源短缺和學(xué)生空閑時間不確定的矛盾.從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的充分利用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的合理安排，全面保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的順利完成.

開放預(yù)約管理.實(shí)驗(yàn)室管理員針對不同的實(shí)驗(yàn)室做不同的開放安排，合理安排開放時段，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)室平臺管理系統(tǒng)對需要進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)約，實(shí)驗(yàn)室管理員可在后臺及時查看預(yù)約信息，實(shí)時掌握儀器設(shè)備被預(yù)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(shí)驗(yàn)室耗材管理和實(shí)驗(yàn)室報表數(shù)據(jù)管理.其中實(shí)驗(yàn)室耗材管理包含耗材的采購申請、審批、采購、入庫、退貨、領(lǐng)用、退庫、經(jīng)費(fèi)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(jìn)行統(tǒng)計.實(shí)驗(yàn)室報表數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο螅ǜ骷夘I(lǐng)導(dǎo)、教師、學(xué)生等）的綜合信息查詢，獲取實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的統(tǒng)計、儀器與設(shè)備的統(tǒng)計等各種分類統(tǒng)計信息，自動生成真實(shí)有效地數(shù)據(jù)報表，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(wǎng)關(guān)進(jìn)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(shí)驗(yàn)室門上，實(shí)現(xiàn)授權(quán)刷卡開門、分配座位、與電源控制聯(lián)動控制等功能.刷卡器則安裝在實(shí)驗(yàn)室門外，學(xué)生一旦在預(yù)約時間內(nèi)刷卡，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器隨即發(fā)出相應(yīng)指令完成開門功能.

RFID考勤管理.學(xué)生進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室上課、或是自主實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)的刷卡記錄自動生成考勤結(jié)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(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通訊.

電源控制.通過ZigBee模塊控制繼電器，可實(shí)現(xiàn)對多臺設(shè)備的電源控制［11］.實(shí)驗(yàn)室管理者可以通過局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)對所有節(jié)點(diǎn)打開或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電源.

刷卡取電.學(xué)生使用校園卡完成身份認(rèn)證為所預(yù)約的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備供電，身份不匹配則無權(quán)打開該節(jié)點(diǎn)，無權(quán)為所預(yù)約的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備供電.離開時則自動斷電.該節(jié)點(diǎn)有3種工作模式（同時具有遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉功能），具體見圖2.

（4）智慧環(huán)境管理：主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行相應(yīng)控制，如火災(zāi)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(guān)環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行監(jiān)測，然后控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作，如燈光控制、電動窗簾控制、聲光報警控制等，應(yīng)用詳情見圖3圖.

圖2 刷卡取電節(jié)點(diǎn)工作模式

圖3 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智慧化管理

3 結(jié)語

一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室的建立與應(yīng)用是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新體現(xiàn)，提高了實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)以及進(jìn)行科研創(chuàng)新，同時也為學(xué)生提供了自由靈活的實(shí)驗(yàn)基地，對提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力有著非常重要的意義.同時，通過對電源和環(huán)境的“智慧”控制，最大限度地降低了實(shí)驗(yàn)室的能耗，提高了實(shí)驗(yàn)室的安全系數(shù).

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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(xué)信息工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生；研究方向：信息系統(tǒng).

（責(zé)任編輯：歐 愷）