灣曉芳

（西安財(cái)經(jīng)大學(xué)行知學(xué)院，陜西 西安 710038)

1 物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

隨著“十三五”發(fā)展中對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)的創(chuàng)新與信息化建設(shè)力度的加大，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等核心技術(shù)應(yīng)用得到普及，同時(shí)信息化已成為發(fā)展新常態(tài)。尤其是物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建，為信息化應(yīng)用提供了可視化、數(shù)據(jù)采集與處理、預(yù)測(cè)預(yù)警等功能，從多方面創(chuàng)造出數(shù)據(jù)化管理的條件，以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的信息服務(wù)能力。在物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)得以推進(jìn)。借助物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行客觀分析，并滿足實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中“以數(shù)據(jù)為支撐制定管理方案”的要求[1]，特別是在《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)則（2016-2020年）》的推動(dòng)下，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的進(jìn)展步伐明顯加快。

近些年，物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展迅猛，據(jù)《中國在按數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，從2015年開始我國大數(shù)據(jù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，至2020年,大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模從2 800億元增長(zhǎng)至10 100億元，從2020年至今，仍處于勻速上漲趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過改革實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，挖掘其潛在的教育優(yōu)勢(shì)，并逐步推進(jìn)數(shù)字化變革[2]。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了重要的前提條件，并有效改善了實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)模式下存在的問題，如實(shí)驗(yàn)室資源浪費(fèi)嚴(yán)重、自主學(xué)習(xí)環(huán)境不理想、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理難度大等。因此，實(shí)驗(yàn)室迫切需要引入物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立更完善的信息化管理體系，以提高實(shí)驗(yàn)室效率[3]。

2 建立實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)框架和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)框架

將物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，綜合高校實(shí)驗(yàn)室的改革現(xiàn)狀，積極對(duì)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)框架進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以高校實(shí)驗(yàn)課程及開放式實(shí)驗(yàn)為載體，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)框架，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展空間[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)整合與協(xié)同化管理

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，并結(jié)合智能化設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)信息中心實(shí)現(xiàn)整合。這樣可以統(tǒng)一涵蓋數(shù)據(jù)處理、設(shè)備接入和綜合應(yīng)用等環(huán)節(jié)，充分利用物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)資源和實(shí)驗(yàn)室資源[5]。在此基礎(chǔ)上，提出了建立綜合性實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)的設(shè)想，該平臺(tái)具有開放性和智能性的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的協(xié)同性。采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和綜合布線技術(shù)等，合理配置實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)資源，滿足教師教學(xué)指導(dǎo)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索的需求。這為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的共享和聯(lián)合做好了充分準(zhǔn)備。通過模擬不同實(shí)驗(yàn)活動(dòng)情景進(jìn)行仿真，可以建立一個(gè)信息化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并利用科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的使用效率[6]。

3 物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)策略

3.1 RFID技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的智能化管理應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的背景下，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有良好的前景。其中，R FI D技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用可以有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備和物資的統(tǒng)一管理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備建設(shè)管理需求，可以實(shí)施分類管理計(jì)劃，并利用RFID技術(shù)對(duì)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室物資進(jìn)行編號(hào)并上傳至實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以便于科學(xué)管理。通過采用RFID技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開啟、使用、進(jìn)出和定位等細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和記錄。這樣，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的數(shù)據(jù)管理模式得到了優(yōu)化，提高了實(shí)驗(yàn)室材料的管理水平，同時(shí)也保障了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的安全性。RFID技術(shù)的智能化管理在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。

3.2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約系統(tǒng)技術(shù)

在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程中，要將物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，以實(shí)驗(yàn)室的開放性與學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)等需要為依據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約平臺(tái)，為學(xué)生、教師等提供網(wǎng)絡(luò)預(yù)約服務(wù)。教師與學(xué)生可以根據(jù)自身需求，預(yù)約實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間，這樣就可以做到實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備錯(cuò)峰使用，有效地完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，緩解實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用矛盾，提高空儀器設(shè)備使用率，充分發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)室利用價(jià)值[7]。

另外，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動(dòng)下，也打破了以往的局限?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃等業(yè)務(wù)可以納入實(shí)驗(yàn)室預(yù)約的流程中。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的使用和管理過程中，建立了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室安全管理體系，以確保按規(guī)定進(jìn)行操作，并對(duì)儀器設(shè)備的使用進(jìn)行責(zé)任追查。

物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用還體現(xiàn)在信息管理系統(tǒng)的建設(shè)上。借助實(shí)驗(yàn)室智能化建設(shè)，利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)約服務(wù)平臺(tái)作為載體，實(shí)時(shí)管理實(shí)驗(yàn)室信息。預(yù)約信息經(jīng)過主動(dòng)審核后，申請(qǐng)者可以獲得預(yù)定好的實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間。在使用實(shí)驗(yàn)室時(shí)，申請(qǐng)人員必須重視實(shí)驗(yàn)室管理，特別是對(duì)使用人員操作行為和儀器設(shè)備安全的關(guān)注。需要及時(shí)設(shè)置使用權(quán)限，并配合實(shí)驗(yàn)室門禁管理，以確保實(shí)驗(yàn)室預(yù)約服務(wù)與設(shè)備使用的安全性。

3.3 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)中，主要利用ZigBee技術(shù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)組成具體詳見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)調(diào)器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控需求，設(shè)置ZigBee終端，劃分多個(gè)模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全方面監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控是監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括以下模塊。

（1）主控CPU模塊：在該模塊中ARM內(nèi)核是關(guān)鍵，目前實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控系統(tǒng)常用的CPU內(nèi)核芯片包括兩種，其一為ST公司生產(chǎn)制造的ARMCortex-M3芯片，其二為三星ARMCortex-A8芯片，本文中的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)芯片為ST公司生產(chǎn)制造的ARMCortex-M3芯片。

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

（3）傳感器模塊：傳感器是智能監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分，利用傳感器可及時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)至管理數(shù)據(jù)庫，方便實(shí)驗(yàn)室管理人員查詢與提取。實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控系統(tǒng)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(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室煙霧環(huán)境、溫濕度變化等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

除了上述模塊，在實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)中，還設(shè)置了門禁模塊、串口與RFID模塊等，這些模塊可以讓實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控全覆蓋，以此來擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控范圍，讓實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行。

通過融合物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，并升級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控得到了進(jìn)一步完善。新加入的智能視頻功能提高了監(jiān)控系統(tǒng)的能見度，使監(jiān)控系統(tǒng)成為實(shí)驗(yàn)室管理和建設(shè)中的重要組成部分。使用智能視頻技術(shù)，可以隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的情況，并方便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控?？紤]到實(shí)驗(yàn)室每天進(jìn)出人員眾多、開放性、創(chuàng)新性和共享性等特點(diǎn)，智能化的視頻監(jiān)視技術(shù)能夠獲取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種數(shù)據(jù)，并為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作提供良好的指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，利用可視化的智能技術(shù)，能更好地預(yù)警并處理實(shí)驗(yàn)室可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)和隱患。

3.4 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫建設(shè)與智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及到數(shù)據(jù)庫建設(shè)和智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，數(shù)據(jù)庫在實(shí)驗(yàn)室管理、設(shè)備物質(zhì)信息存儲(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理等方面起到重要作用。通過物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室可以建立智能數(shù)據(jù)庫。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室可以及時(shí)整理和記錄人員信息、場(chǎng)地信息、使用記錄和實(shí)驗(yàn)情況，并將其實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，方便管理者進(jìn)行信息查詢和管理。此外，數(shù)據(jù)庫還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)物資進(jìn)行詳細(xì)記錄，包括使用變動(dòng)和運(yùn)行情況，為儀器設(shè)備的檢修和實(shí)驗(yàn)物資的采購提供參考，并幫助提高實(shí)驗(yàn)室管理水平。其次，智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站并以學(xué)生學(xué)習(xí)需求為依據(jù)，制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃并合理利用實(shí)驗(yàn)室資源。這不僅保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利展開，還有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)室對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)習(xí)信息進(jìn)行整理，并根據(jù)這些信息科學(xué)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，提高了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的使用效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。尤其在智慧校園的發(fā)展背景下，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要緊跟時(shí)代步伐，進(jìn)行智慧化建設(shè)，不斷提升實(shí)驗(yàn)室管理的信息化水平，以適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展需求。

通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室智慧監(jiān)控系統(tǒng)，特別是應(yīng)用智能視頻技術(shù)，可以提升實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控管理的質(zhì)量。同時(shí)，科學(xué)地應(yīng)用RFID技術(shù)來管理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，靈活預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，建立實(shí)驗(yàn)室智能數(shù)據(jù)庫和智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的有效使用，最大化實(shí)驗(yàn)室教育的價(jià)值。這些措施為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了新的發(fā)展方向和機(jī)遇?！?/p>