裴慧華

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為教育信息化發(fā)展提供了技術(shù)支持。在國(guó)家的大力支持下，基于人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)創(chuàng)新改革的要求，高校積極完善各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、管理，高校也在積極探索借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為人才培養(yǎng)和科學(xué)研究提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。深入分析高校智慧實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，能為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)及智慧實(shí)驗(yàn)室概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，充分利用具備感知能力、信息傳輸能力以及計(jì)算能力的物理設(shè)備，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，將各自獨(dú)立的物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息通信，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間相互感知、智能處理的智能信息網(wǎng)絡(luò)［1］。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為智慧實(shí)驗(yàn)室的搭建提供了技術(shù)支持，大大促進(jìn)了智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室尚未形成統(tǒng)一定義。本文所研究的智慧實(shí)驗(yàn)室是指利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面智能監(jiān)控與管理，為高校師生提供實(shí)驗(yàn)、科研、教學(xué)服務(wù)的場(chǎng)所。如圖1 所示，智慧實(shí)驗(yàn)室的智能監(jiān)控與管理包括對(duì)設(shè)備的智能管理、對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)、對(duì)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理以及對(duì)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的資源獲取。由此，智慧實(shí)驗(yàn)室能有效實(shí)現(xiàn)“設(shè)備管理自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、信息獲取信息化、實(shí)驗(yàn)管理高效化”［2］。

圖1 智慧實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控與管理模型

2 智慧實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)架構(gòu)及功能分析

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)搭建的高校智慧實(shí)驗(yàn)室主要由設(shè)備層、互聯(lián)層以及應(yīng)用層組成，如圖2 所示，高校智慧實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)自下至上分別是設(shè)備層、互聯(lián)網(wǎng)層以及應(yīng)用層。其中，設(shè)備層是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過(guò)大量的無(wú)線射頻識(shí)別裝置、傳感器設(shè)備等，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境、設(shè)備等各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，終端設(shè)備可以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、串行通信，能有效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的智慧監(jiān)控。互聯(lián)網(wǎng)層作為智慧實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)的中間層，為智慧實(shí)驗(yàn)室提供互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)、WiFi 等不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式，為信息傳輸提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，使物與物、物與人之間實(shí)現(xiàn)及時(shí)信息溝通，使移動(dòng)手機(jī)、PC 端等設(shè)備能夠及時(shí)收到信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧管理［3］。應(yīng)用層是高校智慧實(shí)驗(yàn)室智慧管理和智慧監(jiān)控的具體體現(xiàn)，綜合通過(guò)設(shè)備層和互聯(lián)層，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的有效監(jiān)管，避免實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)意外、危險(xiǎn)等對(duì)人體和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有害的事故?；谖锫?lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的高校智慧實(shí)驗(yàn)室體系能滿足智慧實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控及資源獲取功能。

圖2 高校智慧實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)

2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)，智慧實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3 大部分構(gòu)成，分別是攝像機(jī)和傳感器部分、通信設(shè)備部分以及終端控制器部分。

首先是攝像頭和傳感器部分，攝像頭可以拍攝到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)畫面信息，并將畫面?zhèn)鬟f至移動(dòng)終端設(shè)備，由終端設(shè)備發(fā)出指令，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行控制；實(shí)驗(yàn)室傳感器則根據(jù)功能不同可以分為多類，如表1 所示，多種傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集。其次，傳感器所收集到的信息通過(guò)服務(wù)器等通信設(shè)備傳輸?shù)浇K端控制器，終端設(shè)備對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析歸納，及時(shí)檢測(cè)出異常信息并向管理員推送。最后，管理員根據(jù)終端推送的信息，及時(shí)發(fā)送控制指令。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)及控制點(diǎn)

2.2 設(shè)備管理

智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的設(shè)備管理部分包括前期對(duì)設(shè)備和儀器的申購(gòu)、登記、檔案管理，中期利用無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)對(duì)設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到設(shè)備故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，后期在儀器設(shè)備報(bào)廢處置過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最大化回收［4］。此外，設(shè)備管理還包括實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約使用、權(quán)限授予等管理工作。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控部分與環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備管理密不可分。遠(yuǎn)程控制能夠通過(guò)攝像頭隨時(shí)查看實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相關(guān)狀況，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制、發(fā)出指令等。此外，智慧實(shí)驗(yàn)室作為承擔(dān)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能幫助教師開展線上實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。教師可以在遠(yuǎn)程終端觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)操作協(xié)同化［5］。

2.4 資源獲取

智慧實(shí)驗(yàn)室的資源獲取包括資源信息化以及資源利用便捷化兩大部分。資源信息化是師生將一些傳統(tǒng)的紙質(zhì)報(bào)告、講義等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息資源；便捷性是指使用者快速查詢到歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享的效果，有助于提升實(shí)驗(yàn)效果。

3 高校智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 傳感器技術(shù)

傳感器作為信息化技術(shù)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)外界的感知，能夠有效讀取某些環(huán)境、設(shè)備的信息狀態(tài)。傳感器進(jìn)行信號(hào)傳遞時(shí)，需要完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如圖3 所示，傳感器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成［6］。其中，信號(hào)轉(zhuǎn)換的基本器件為敏感元件，主要完成模擬量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換元件則是將測(cè)量得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量的基本器件，也是傳感器的核心元件。隨著新型傳感器的研發(fā)，傳感器應(yīng)用的范圍更加廣泛。高校智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)以傳感器作為感知設(shè)備，綜合運(yùn)用多種傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如，煙霧傳感器能時(shí)刻監(jiān)測(cè)室內(nèi)煙霧信號(hào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的火災(zāi)隱患，并發(fā)出信號(hào)。

圖3 傳感器的基本構(gòu)成

3.2 RFID 技術(shù)

無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，也稱為射頻識(shí)別技術(shù)，是起源于20 世紀(jì)90 年代的一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［7］。通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，無(wú)需接觸，即可識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，且精準(zhǔn)度較高，掃描識(shí)別快捷。RFID 系統(tǒng)基本由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（Processor）三部分組成，它們之間主要采用無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。電子標(biāo)簽多由天線、芯片以及底層組成，用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)室設(shè)施、設(shè)備等資產(chǎn)的數(shù)據(jù)。每一個(gè)標(biāo)簽都具有唯一的編碼，將其粘貼在設(shè)備上，通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換［8］。閱讀器是用來(lái)讀取電子標(biāo)簽信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄的無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)的底層設(shè)備。電子標(biāo)簽包含的數(shù)據(jù)信息通過(guò)天線進(jìn)入閱讀器射頻模塊，閱讀器再對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、解碼，再傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)可視化技術(shù)進(jìn)行界面顯示。

3.3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)，即由互相連接的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的龐大網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使信息傳遞變得更便捷、更快速，是實(shí)現(xiàn)高校智慧實(shí)驗(yàn)室智慧管理不可或缺的技術(shù)之一。隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線接入技術(shù)水平大大提升，助力局域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)概念的延伸與應(yīng)用，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)之間的信息傳遞。高校智慧實(shí)驗(yàn)室控制終端設(shè)備須通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)信息的查詢。

3.4 嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)是助力計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)特定功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。嵌入式系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分。硬件部分主要包括微控制器、外部存儲(chǔ)以及鼠標(biāo)、輸入設(shè)備等外部硬件設(shè)備。而軟件部分則是整個(gè)系統(tǒng)的核心要素，軟件可以下載到Flash、EPROM 以及ROM 等存儲(chǔ)體中，在系統(tǒng)軟件沒有被更改或添加功能的情況下，下載好的嵌入式軟件無(wú)須更改［9］。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣泛，實(shí)驗(yàn)室工具、設(shè)備等，都離不開嵌入式系統(tǒng)的支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的高校智慧實(shí)驗(yàn)室能有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、信息獲取信息化以及實(shí)驗(yàn)管理高效化。本文深入分析了智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，有助于高校智慧實(shí)驗(yàn)室的推廣應(yīng)用。