吳慶州，王 濤，徐春燕，王玉玨

（南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校理工科人才培養(yǎng)方案中的重要組成部分，2018年1月，教育部頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[1]更是凸顯了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，尤其明確了物理實(shí)驗(yàn)課程是所有理工科學(xué)生的必修課程。物理實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的入門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，它具有受眾面廣、知識(shí)面廣、開課時(shí)間長等特點(diǎn)，有利于學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，顯著提高學(xué)生的動(dòng)手能力[2]。隨著連年的本科擴(kuò)招以及信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理受到了極大的挑戰(zhàn)，如何高效智能地管理實(shí)驗(yàn)室是廣大實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理人員亟待解決的一道難題。

1 智慧型物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

2018年6月，教育部長陳寶生在新時(shí)代中國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上明確提出，在今后兩年到三年時(shí)間內(nèi)，打造智慧課堂、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧校園，深化課堂教學(xué)革命[3]。隨著社會(huì)的進(jìn)步、信息技術(shù)的發(fā)展，智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將是大勢所趨[4-5]。啟動(dòng)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)教學(xué)智慧管理時(shí)代的到來。5G的商用序幕已經(jīng)拉開，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能都將會(huì)有一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為建設(shè)更安全、舒適、高效、節(jié)能、環(huán)保的智慧實(shí)驗(yàn)室?guī)砀玫募夹g(shù)保障。

目前，關(guān)于智慧實(shí)驗(yàn)室還沒有一個(gè)明確的定義，各種百科全書上都未有智慧實(shí)驗(yàn)室這個(gè)詞條。智慧實(shí)驗(yàn)室不是智能實(shí)驗(yàn)室，這已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。有學(xué)者認(rèn)為將人的智慧與智能科技融入實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、管理、發(fā)展等各環(huán)節(jié)里[6]，使實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮其在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)支撐作用，這樣的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該算是“智慧實(shí)驗(yàn)室”。

朱蓓薇院士指出，智慧實(shí)驗(yàn)室是對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理的改革，更加充分利用信息技術(shù)讓實(shí)驗(yàn)室更加高效、更加安全、更加便捷。而“智”即技術(shù)，“慧”即人，所以“以人為本”是智慧實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的根本[7]。這里面人的智慧不僅僅包括人類在自然科學(xué)技術(shù)方面的巨大成功，也包括在實(shí)驗(yàn)室管理體制機(jī)制創(chuàng)新方面進(jìn)行的探索與實(shí)踐。智慧實(shí)驗(yàn)室將是各類實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的重要目標(biāo)。

2 智慧型物理實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)構(gòu)架

智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)根據(jù)教學(xué)型、科研型、科研教學(xué)型、教學(xué)科研型、綜合服務(wù)型等不同實(shí)驗(yàn)室[8]的需求，可分為基礎(chǔ)、中端、高端三種類型?；A(chǔ)型智慧實(shí)驗(yàn)室主要為教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室服務(wù)，具備環(huán)境感知、實(shí)驗(yàn)室控制、儀器控制、教學(xué)資源管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等功能。管理系統(tǒng)平臺(tái)作為最終的集成平臺(tái)應(yīng)具有可兼容性及可升級(jí)性等特點(diǎn)，各傳感器數(shù)據(jù)輸出端應(yīng)統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)化接口，便于實(shí)現(xiàn)與手機(jī)端、電腦端、門戶網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)接。一般物理實(shí)驗(yàn)室不產(chǎn)生廢氣廢水，建設(shè)管理相對(duì)更簡單一些，借助目前的技術(shù)手段更容易實(shí)現(xiàn)。針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的方案可以用于新建實(shí)驗(yàn)室，也可以用于老舊實(shí)驗(yàn)室改建，改建時(shí)在不改動(dòng)現(xiàn)有儀器設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)智能化，達(dá)到基礎(chǔ)型智慧實(shí)驗(yàn)室的基本要求。

圖1為智慧型物理實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)架構(gòu)關(guān)系圖，整個(gè)構(gòu)架主要由感知、信息處理、系統(tǒng)管理三個(gè)層級(jí)組成。感知層主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、二維碼技術(shù)等實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的感知處理、儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)的感知處理。信息處理層借助服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)將感知層和管理層的數(shù)據(jù)收集處理反饋回去達(dá)成智能智慧控制。管理層主要依靠軟件調(diào)用顯示各類數(shù)據(jù)、處理相關(guān)指令、智能學(xué)習(xí)用戶習(xí)慣、智能研判數(shù)據(jù)等。

圖1 智慧型物理實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)架構(gòu)

2.1 智慧型實(shí)驗(yàn)室感知層硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

物理實(shí)驗(yàn)使用的儀器多無法實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為此通過實(shí)驗(yàn)者實(shí)時(shí)報(bào)送數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)絕大多數(shù)物理儀器都需要使用電源這一特性，通過設(shè)計(jì)電源黑盒來控制儀器的使用。電源黑盒內(nèi)裝有電源控制模塊，實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前儀器總電流情況，并加裝溫濕度傳感器感知黑盒周邊溫濕度情況，這些數(shù)據(jù)一旦開啟，管理層即可通過平臺(tái)顯示出某黑盒已經(jīng)啟動(dòng)。管理層在該實(shí)驗(yàn)室通電情況下可以遠(yuǎn)程控制該黑盒的開啟與關(guān)閉，通過攝像頭實(shí)時(shí)查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前通過微信掃碼開啟電源，做完實(shí)驗(yàn)掃碼關(guān)閉電源，完成常規(guī)的實(shí)驗(yàn)簽到簽退功能。黑盒可以識(shí)別使用者及使用時(shí)長，并自動(dòng)記錄，可對(duì)某實(shí)驗(yàn)室多少套儀器在運(yùn)行做實(shí)時(shí)匯總。當(dāng)個(gè)別儀器突發(fā)大電流時(shí)，第一時(shí)間預(yù)警、記錄，并在第一時(shí)間通知實(shí)驗(yàn)員處理。

實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)采用基于 CC2530的無線傳感網(wǎng)ZigBee技術(shù)，在不改變原有實(shí)驗(yàn)裝置及布線的情況下可快速組網(wǎng)。圖2為感知層硬件組網(wǎng)示意圖，圖中E是終端節(jié)點(diǎn)（end device），連接每一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在需要工作時(shí)自動(dòng)加入 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，待機(jī)時(shí)具有極低功耗，并且還可以設(shè)定為可周期性喚醒任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大小，兩到三個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置一個(gè)中心協(xié)調(diào)器（coordinator）協(xié)調(diào)控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)路由器（router）組成的MESH網(wǎng)絡(luò)（分布式無線網(wǎng)絡(luò)）。當(dāng)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源黑盒開啟后，路由器通過掃描計(jì)算為其分配新地址，同時(shí)尋找最優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚韺?。這樣組網(wǎng)的好處在于即使中心協(xié)調(diào)器斷電，路由器仍然能夠相互通信，每臺(tái)儀器依然可以獨(dú)立工作，新打開的實(shí)驗(yàn)設(shè)備依然可以加入并且可以通過工作的路由器進(jìn)行分配地址。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的每個(gè)路由器必須在同一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，保證所有的終端節(jié)點(diǎn)具有相同頻道PAN ID（網(wǎng)絡(luò)ID）。

圖2 感知層硬件組網(wǎng)示意圖

圖3 為CC2530模塊電路圖，圖中所示的CC2530模塊的無線傳輸電路設(shè)計(jì)上采用ADC（analog-to-digital converter）采樣，通過遠(yuǎn)程PWM波輸出來控制ADC采樣，可以有效簡化指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和智能控制。在硬件層的傳感器中一般包含離子式煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、聲光報(bào)警傳感器等。

圖3 CC2530模塊電路圖

2.2 智慧型實(shí)驗(yàn)室信息層、管理層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

信息層充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，具有智能處理各類數(shù)據(jù)的功能，可以大幅度提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平。管理層借助物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物的管理，并通過打通現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站、資產(chǎn)處網(wǎng)站、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源的整合管理。管理層通過各種輸出方式實(shí)現(xiàn)與手機(jī)、電腦、多媒體、電視端等連接，從而使管理人員便捷掌握實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各種信息，管控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各類設(shè)備。

數(shù)據(jù)的處理采用目前使用較為廣泛的Lambda架構(gòu)[9]，基于Lambda架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理原理如圖4所示，將獲取到的新數(shù)據(jù)同時(shí)輸入到批處理層和數(shù)據(jù)流速度處理層，經(jīng)過運(yùn)算后將兩個(gè)層面的運(yùn)算視圖在查詢時(shí)將結(jié)果輸出給用戶。這種架構(gòu)有效整合了數(shù)據(jù)讀寫與應(yīng)用分離、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)融合、離線與實(shí)時(shí)計(jì)算等常用架構(gòu)原則，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，且具有通用性、高容錯(cuò)、易調(diào)試、易維護(hù)、易查詢、易擴(kuò)展、低延時(shí)等特點(diǎn)，同時(shí)易于集成常用的大數(shù)據(jù)組件，如Phoenix、Spark、Presto、Pig、Storm、Stinger等。

管理層交互設(shè)計(jì)采用了B/S架構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式，這也是目前各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)使用最多的一種交互模式[10]。采用該架構(gòu)可以將所有的程序運(yùn)算在服務(wù)器主機(jī)上完成，用戶借助瀏覽器便可交互查詢，不需要額外安裝App，也便于接入微信公眾平臺(tái)，通用性更強(qiáng)。

圖4 基于Lambda架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理原理

3 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 微信一鍵注冊登錄

每臺(tái)設(shè)備終端通過電源黑盒互聯(lián)，將電源黑盒ID信息生成二維碼，學(xué)生用手機(jī)端掃碼即可進(jìn)入控制界面，學(xué)生賬號(hào)與微信綁定，利用微信一鍵登錄注冊使用儀器。掃碼登錄后學(xué)生可以選擇設(shè)置儀器通電時(shí)間、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳、儀器報(bào)修、關(guān)閉儀器等功能。

3.2 儀器使用系統(tǒng)

學(xué)生一旦掃碼后數(shù)據(jù)中心即可收到信息并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至管理層，管理層工作人員可以實(shí)時(shí)查看儀器誰在用，用了多久，有無異常等。學(xué)生上報(bào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中心智能分析后，如遇數(shù)據(jù)出入較大，系統(tǒng)通過微信平臺(tái)直接反饋給學(xué)生，從而提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率。該系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的手工簽到、簽退、點(diǎn)名等工作，可以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。何時(shí)何人在用這臺(tái)儀器一目了然，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器使用追溯。

3.3 考試系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含系列考試，實(shí)驗(yàn)室安全考試，預(yù)習(xí)測試，實(shí)驗(yàn)單項(xiàng)測試，綜合測試等，根據(jù)考試需要設(shè)定考試形式，可以是開放式隨時(shí)考，也可以是統(tǒng)一考試。實(shí)驗(yàn)單項(xiàng)測試可以在實(shí)驗(yàn)室里邊做實(shí)驗(yàn)邊完成考試，檢驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手能力。該系統(tǒng)根據(jù)教師設(shè)定的規(guī)則自動(dòng)評(píng)判學(xué)生平時(shí)成績，更加科學(xué)公平。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及評(píng)分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析涉及大數(shù)據(jù)和人工智能，系統(tǒng)通過收集學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合研判當(dāng)前溫濕度環(huán)境下實(shí)驗(yàn)合理數(shù)值，智能識(shí)別編造數(shù)據(jù)、抄襲數(shù)據(jù)，讓學(xué)生養(yǎng)成自己動(dòng)手測量的好習(xí)慣。

3.5 實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)

預(yù)約采用審核機(jī)制，針對(duì)學(xué)生的不同目的選擇不同的預(yù)約類型，如到實(shí)驗(yàn)室看儀器、重測數(shù)據(jù)、補(bǔ)測數(shù)據(jù)，或者預(yù)約研究性實(shí)驗(yàn)等。預(yù)約系統(tǒng)自動(dòng)匹配可選儀器和可選日期，可設(shè)定實(shí)驗(yàn)員或?qū)嶒?yàn)教師最終審核。學(xué)生按預(yù)約通過門禁系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后用手機(jī)微信掃碼即可進(jìn)入儀器使用系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作。

3.6 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)

采用高清攝像頭搭配各類傳感器完成硬件鋪設(shè)，監(jiān)測系統(tǒng)360度云臺(tái)遠(yuǎn)程操控。智慧實(shí)驗(yàn)室的攝像頭不是單純的錄像功能，通過 AI人臉識(shí)別算法可以實(shí)時(shí)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)[11]。在出現(xiàn)火災(zāi)等險(xiǎn)情時(shí)能夠與管理層智能聯(lián)動(dòng)，在非實(shí)驗(yàn)時(shí)段自動(dòng)進(jìn)入偵測報(bào)警模式，只要有人或者動(dòng)物進(jìn)入就會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將畫面?zhèn)髦凉芾韱T手機(jī)及郵箱里，可以有效防盜和防入侵。

3.7 資產(chǎn)管理子系統(tǒng)

資產(chǎn)管理系統(tǒng)與儀器使用系統(tǒng)連通，包含儀器設(shè)備分布情況、使用情況、維修次數(shù)等功能。實(shí)現(xiàn)任何一臺(tái)儀器使用情況溯源，維修情況溯源，智能分析儀器老化程度。

4 結(jié)語

知識(shí)社會(huì)環(huán)境下的智慧實(shí)驗(yàn)室是繼實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)字化之后即將發(fā)展起來的高級(jí)形態(tài)。智慧實(shí)驗(yàn)室對(duì)提升實(shí)驗(yàn)管理水平、教學(xué)效果，打造實(shí)驗(yàn)金課有很大的輔助作用，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室高效智能運(yùn)轉(zhuǎn)的最好辦法。對(duì)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的改造升級(jí)，通過加裝智能設(shè)備，利用信息化平臺(tái)快速構(gòu)建智慧型實(shí)驗(yàn)室有著較大的社會(huì)需求，本文所介紹的方案對(duì)教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室的改造升級(jí)有一定的借鑒意義。