摘要：隨著高校的發(fā)展，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室成為重要的學(xué)習(xí)場(chǎng)所。而隨著高校對(duì)于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的投入不斷增加，其管理工作成為亟須解決的問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等多維度信息的高效采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室；物聯(lián)網(wǎng)；管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311.5；TN925+.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理是高校日常管理中的重要環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系到教學(xué)和科研工作的順利進(jìn)行，還涉及學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展形成的一種產(chǎn)物，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[1]。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理信息化發(fā)展，解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室管理存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的全面監(jiān)測(cè)，降低人工成本。

1 系統(tǒng)需求分析

需求分析是識(shí)別現(xiàn)有管理問(wèn)題后對(duì)新系統(tǒng)功能的詳細(xì)研究。隨著高等教育的普及和學(xué)生數(shù)量的增加，高校無(wú)法應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室管理挑戰(zhàn)，如設(shè)備增多、課程安排復(fù)雜、人員流動(dòng)頻繁等，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損耗、維護(hù)滯后、安全問(wèn)題處理不及時(shí)等問(wèn)題[2]。這些問(wèn)題的根源是信息化水平低和管理效率不高。因此，實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管，以提升管理效率。圖 1為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)功能需求。

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息化管理系統(tǒng)應(yīng)具備如下關(guān)鍵功能以符合信息化管理需求。具體功能：①設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具備收集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的能力，如工作電壓、電流、功率等，通過(guò)深入分析這些基本數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間，從而為系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。②信息化管理界面。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至中央服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，管理平臺(tái)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)管理、深度分析，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)[3]。③環(huán)境監(jiān)控功能。系統(tǒng)需集成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的功能，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度和空氣質(zhì)量等基本環(huán)境指標(biāo)，可根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在遭遇如火災(zāi)等突發(fā)情況時(shí)，系統(tǒng)能立即向管理者發(fā)送預(yù)警通知，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)策略。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文規(guī)劃的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)采用基于物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，第一層為感知層，也是架構(gòu)的底層，利用ZigBee（紫蜂）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且通過(guò)眾多微型監(jiān)測(cè)器，實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的狀態(tài)。收集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至ZigBee網(wǎng)關(guān)。第二層為網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)有兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，專門存儲(chǔ)感知層獲取的數(shù)據(jù)；另一臺(tái)為應(yīng)用服務(wù)器，它會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器獲取信息，并將這些信息發(fā)布至局域網(wǎng)或校園網(wǎng)。第三層為應(yīng)用層，其主要面向?qū)嶒?yàn)室用戶。用戶可利用搭載網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的設(shè)備（如手機(jī)、電腦），對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，以實(shí)現(xiàn)便捷的遠(yuǎn)程操作。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，可根據(jù)需求形成星形、樹(shù)形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的有限空間內(nèi)，系統(tǒng)采用星形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)可直接與協(xié)調(diào)器通信，便于管理且數(shù)據(jù)傳輸效率高。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)可被定義為一種集成系統(tǒng)，由硬件和軟件共同構(gòu)建，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是執(zhí)行特定任務(wù)。本質(zhì)上，它構(gòu)成了一個(gè)定制化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)特定應(yīng)用需求對(duì)硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)功率、尺寸、成本和可靠性的嚴(yán)格限制。嵌入式技術(shù)涉及用于開(kāi)發(fā)定制系統(tǒng)的技術(shù)，它也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，大約90%的計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)都包含嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[4]。嵌入式技術(shù)的起源可追溯至單片機(jī)技術(shù)，核心理念是通過(guò)軟件對(duì)硬件資源進(jìn)行管控，以實(shí)現(xiàn)電子、機(jī)電及數(shù)字產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理、控制和管理功能。相較于單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)更為復(fù)雜和先進(jìn)，能夠?qū)λ匈Y源進(jìn)行集中調(diào)度和管理。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real-time operating system，RTOS）為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，旨在高效處理各類任務(wù)并迅速響應(yīng)各種請(qǐng)求。以免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（free real-time operating system，F(xiàn)reeRTOS）為例進(jìn)行說(shuō)明，其具備以下特點(diǎn)：首先，F(xiàn)reeRTOS內(nèi)核設(shè)計(jì)精巧，能適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限的環(huán)境；其次，F(xiàn)reeRTOS具備出色的實(shí)時(shí)性能，這是RTOS最關(guān)鍵的特性；再次，F(xiàn)reeRTOS高度可定制，能緊密集成軟硬件，并且根據(jù)不同的微處理器進(jìn)行優(yōu)化；最后，F(xiàn)reeRTOS的可靠性較強(qiáng)，能在各種條件下穩(wěn)定運(yùn)行，而可靠性也是衡量RTOS性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在信息采集設(shè)備設(shè)計(jì)中，本文采用基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器，并結(jié)合國(guó)產(chǎn)的RT-Thread RTOS，以滿足預(yù)期的功能需求。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是一種專為數(shù)據(jù)管理與組織設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件，也是一個(gè)高效能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。開(kāi)源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（如MySQL、MySQL AB）的數(shù)據(jù)庫(kù)具有輕量級(jí)、運(yùn)行效率高、開(kāi)源免費(fèi)和可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。鑒于本文所開(kāi)發(fā)的管理系統(tǒng)規(guī)模適中，因此選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐。

該數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能是存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送的信息。具體包括：①管理員表。用于記錄系統(tǒng)管理員的詳細(xì)信息，分為普通管理員和超級(jí)管理員兩類。②實(shí)驗(yàn)室表。包含使用系統(tǒng)中所有實(shí)驗(yàn)室的詳細(xì)資料，如校區(qū)位置、所屬學(xué)院等。③設(shè)備信息表。記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如設(shè)備編號(hào)、電壓、電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。④環(huán)境信息表。負(fù)責(zé)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等。⑤監(jiān)控視頻表。用于保存實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控視頻或圖片的元數(shù)據(jù)，如錄制時(shí)間、起止時(shí)間、視頻和圖片的存儲(chǔ)位置等。

3.3 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)主要任務(wù)是定位和識(shí)別圖像中的對(duì)象，包括對(duì)象定位和分類兩個(gè)關(guān)鍵步驟。隨著技術(shù)的演進(jìn)，這兩項(xiàng)功能的界限逐漸模糊化。該技術(shù)迅速發(fā)展并且形成了兩種主要的檢測(cè)算法類型：①區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（region-based convolutional neural network，R-CNN）算法。該算法有兩個(gè)階段：首先在圖像上生成一系列的候選區(qū)域；其次對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行分類和精確定位，R-CNN算法的精度高但效率低。②YOLO目標(biāo)檢測(cè)算法。該算法為單階段算法，直接預(yù)測(cè)類別和位置，可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，但精度略低。兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者精度高但計(jì)算效率低，后者速度快但可能犧牲部分精度。本文主要聚焦于YOLO目標(biāo)檢測(cè)算法模型，該模型在檢測(cè)速度與精度之間達(dá)到了良好的平衡，適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的檢測(cè)與識(shí)別任務(wù)。

4 信息采集裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，采集節(jié)點(diǎn)包含核心控制模塊、設(shè)備信息采集模塊、環(huán)境信息采集模塊（溫濕度傳感器和光強(qiáng)度傳感器）、Wi-Fi模塊和供電電源。各傳感器模塊統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)采集與上傳。硬件采用模塊化堆疊設(shè)計(jì)，各部分功能獨(dú)立，互不影響，便于維護(hù)、調(diào)試和根據(jù)實(shí)驗(yàn)室需求靈活調(diào)整功能。

4.2 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)在采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)建步驟如下：①在初始化階段配置傳感器交互引腳，建立Wi-Fi熱點(diǎn)，設(shè)定服務(wù)器地址，初始化變量；②運(yùn)行時(shí)，Wi-Fi模塊（ESP-12E）通過(guò)串行通信向IM1253B芯片發(fā)送讀取命令，接收并處理數(shù)據(jù)；③環(huán)境數(shù)據(jù)采集，ESP-12E通過(guò)模擬集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）讀取溫濕度傳感器和光強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)上傳，可以直接上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器或作為客戶端通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)接入點(diǎn)（access point，AP）熱點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式。設(shè)備未運(yùn)行時(shí)，節(jié)點(diǎn)不工作以節(jié)省能源。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)被激活，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。ESP-12E提供3種低功耗模式：調(diào)制解調(diào)器睡眠（modem-sleep）、淺睡眠（light-sleep）和深度睡眠（deep-sleep）。其中，deep-sleep模式下，Wi-Fi關(guān)閉，工作電流小于1 mA，功耗較低。在本文采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)，觸發(fā)延時(shí)繼電器，將GPIO16引腳置低，而該引腳與RST引腳連接，因此可以喚醒ESP-12E，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，繼電器將斷開(kāi)，此時(shí)ESP-12E正常工作，采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境信息并上傳。當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入deep-sleep模式，降低功耗，等待下次喚醒。在此期間，環(huán)境信息按預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔進(jìn)行采集。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束后，發(fā)送低電平信號(hào)喚醒ESP-12E，采集環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)信息后，再次進(jìn)入deep-sleep模式，以降低能耗。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

5.1 門戶網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站不僅具備高效的信息發(fā)布和宣傳能力，同時(shí)也是一個(gè)集中的登錄注冊(cè)入口，旨在提供便捷的操作體驗(yàn)[6]。門戶網(wǎng)站可以真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)室或教學(xué)管理的核心價(jià)值，是學(xué)校展示獨(dú)特形象的窗口，使訪問(wèn)者能夠迅速了解其概況。在學(xué)校內(nèi)部，門戶網(wǎng)站扮演著導(dǎo)航的角色，方便用戶獲取所需資源。此外，門戶網(wǎng)站還作為信息發(fā)布的重要平臺(tái)，助力用戶及時(shí)掌握學(xué)校政策、活動(dòng)信息，是學(xué)校信息流通的樞紐。

5.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室可被視為一座知識(shí)的堡壘，需確保每一臺(tái)設(shè)備安全、精確、穩(wěn)定地運(yùn)行，這些設(shè)備構(gòu)成了學(xué)生研習(xí)數(shù)字領(lǐng)域、教師傳遞智慧的牢固基石。為保障每一次實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電力系統(tǒng)、安全措施、消防設(shè)施等各個(gè)層面實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)控與管理[7]。

5.3 開(kāi)放預(yù)約管理系統(tǒng)

預(yù)約管理系統(tǒng)的核心是實(shí)驗(yàn)室的智能訪問(wèn)控制機(jī)制，旨在為學(xué)生的研究活動(dòng)和教師的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)安排預(yù)定時(shí)間。系統(tǒng)包含兩種預(yù)約選項(xiàng)，即團(tuán)隊(duì)預(yù)約和單人預(yù)約。在同時(shí)運(yùn)行的情況下，團(tuán)隊(duì)預(yù)約享有優(yōu)先權(quán)，個(gè)人預(yù)約會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，以確保實(shí)驗(yàn)室的平穩(wěn)運(yùn)行和資源的高效利用。

6 系統(tǒng)測(cè)試

6.1 測(cè)試設(shè)計(jì)

在測(cè)試階段，利用Windows 10操作系統(tǒng)，依托Eclipse作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，并借助Tomcat服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)支持。硬件配置方面，系統(tǒng)配置2.4 GHz的處理器和4 GB的內(nèi)存。在系統(tǒng)完成研發(fā)后，研究人員進(jìn)行全面的檢查，確保所有功能都符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 測(cè)試結(jié)果

在對(duì)本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的系統(tǒng)性評(píng)估過(guò)程中，基于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境采集的圖像，借助實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行了精確無(wú)誤的辨識(shí)與檢測(cè)，檢測(cè)效果圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)在復(fù)雜多變的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，展現(xiàn)出穩(wěn)定且高效的檢測(cè)性能。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中，以教學(xué)為核心，全面提升了實(shí)驗(yàn)室的智能化管理效率。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的每一個(gè)細(xì)節(jié)和任何細(xì)微的性能變化，都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。設(shè)備間的智能互聯(lián)可以形成無(wú)形的高效網(wǎng)絡(luò)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的順暢運(yùn)行和持續(xù)活力。

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