基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗室系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

于翔+吳夢軒+張勁中+邢益軒+趙海濱

摘 要：介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程操作應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)由虛擬化系統(tǒng)與計算機控制儀器組成，可提供遠程儀器使用服務(wù)。采用該系統(tǒng)能降低試驗成本，使實驗室中的儀器通過互聯(lián)網(wǎng)獲得廣泛利用，并通過小規(guī)模平臺建設(shè)來驗證關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬化；物聯(lián)網(wǎng)；遠程實驗室

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0080-03

0引言

采用虛擬化操作系統(tǒng)能夠?qū)h程計算機控制的儀器實現(xiàn)現(xiàn)場操作，通過基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電子技術(shù)的相互結(jié)合，提高了實現(xiàn)過程的自動化程度，進而大大減少了人員及儀器調(diào)度形成的時間浪費，有效的提高了實驗過程中時間的利用效率。儀器設(shè)備要接入信息化實驗系統(tǒng)平臺就需要具備計算機可控或數(shù)據(jù)可采集的功能。通過將儀器的計算機輔助功能加入到實驗平臺中，信息化實驗平臺對儀器進行操控和數(shù)據(jù)采集，完成計算機輔助功能的資源有效合理的進行分配和調(diào)整。實驗平臺以硬件虛擬化層作為其基礎(chǔ)，虛擬化層的軟件架構(gòu)需要實現(xiàn)對實驗操作平臺的計算機資源進行統(tǒng)一的管理，本實驗平臺的虛擬化層主要采用VMware vShpere構(gòu)建。實驗平臺還有需要完成對實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和控制，所以要在虛擬化層上建立數(shù)據(jù)傳輸層。接入實驗平臺的儀器設(shè)備需要具備連接計算機的功能，而目前多數(shù)的實驗設(shè)備已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)保存和計算機輔助操控的功能。

相比傳統(tǒng)的實驗方式，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通過給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，為科研實驗水平的整體提升創(chuàng)造了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。由此推斷，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為未來的高?；蚩蒲性核鶎嶒炇医ㄔO(shè)的必然基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)設(shè)計原理

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過虛擬化技術(shù)整合多平臺傳感器系統(tǒng)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳送。系統(tǒng)主要包括信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存和傳送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用平臺系統(tǒng)。圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，信息采集系統(tǒng)主要是指具有網(wǎng)絡(luò)功能的檢測傳感器，例如：BOD、葉綠素等在線檢測設(shè)備。這些設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程計算機。因此，根據(jù)這個特點，在系統(tǒng)中設(shè)計了一個數(shù)據(jù)緩存和傳送系統(tǒng)，這個系統(tǒng)和采集系統(tǒng)一起構(gòu)成現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2硬件系統(tǒng)關(guān)系圖

作為信息采集現(xiàn)場系統(tǒng)統(tǒng)一的供電系統(tǒng)設(shè)計與統(tǒng)一的聯(lián)動控制裝置，在管理上能簡化管理流程與設(shè)備運行流程，同時與局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成一個低層的信息采集傳感器硬件運行環(huán)境，最大限度提高各個傳感器的工作效率與穩(wěn)定性。

在這個環(huán)境里實驗?zāi)繕?biāo)采集將統(tǒng)一被現(xiàn)場設(shè)備管理系統(tǒng)操作，按照時序啟動傳感器設(shè)備進行水樣分析，每一個傳感器獨立運行于各自系統(tǒng)進程內(nèi)將采集上的數(shù)據(jù)通過有線局域網(wǎng)絡(luò)保存到數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器中，由數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將采集數(shù)據(jù)打包后定時傳送到遠程服務(wù)器端。

數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器采用服務(wù)器端虛擬化技術(shù)針對不同的數(shù)據(jù)采集端（RFID）虛擬對應(yīng)操作系統(tǒng)，允許對應(yīng)的應(yīng)用程序在系統(tǒng)中運行，從而在一臺緩存服務(wù)器中獲得多個虛擬應(yīng)用方便終端管理和遠程維護，同時節(jié)省大量電力資源。

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集端（RFID）作為檢測設(shè)備，數(shù)據(jù)處理中心集中對數(shù)據(jù)進行處理，將現(xiàn)有的公用無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)物理傳輸基礎(chǔ)，同時以邏輯網(wǎng)絡(luò)加密等手段來保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全。實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立在硬件虛擬化平臺的基礎(chǔ)之上，能夠遠程完成對終端實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作、實驗控制及維護。

圖3所示是本系統(tǒng)平臺的設(shè)計原理。系統(tǒng)的組成主要分為三層：物理傳輸層、邏輯網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層。

圖3系統(tǒng)平臺設(shè)計原理

在圖3中，檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)使用的是目前已經(jīng)普遍試用的并且性能穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)。采集端采集到的數(shù)據(jù)通過物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程中央數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)處理并獲得結(jié)果。數(shù)據(jù)處理中心的主要數(shù)據(jù)交換設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的有線方式進行鏈接，數(shù)據(jù)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

在系統(tǒng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，檢測采集設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間采用客戶端/服務(wù)器端的系統(tǒng)架構(gòu)建立起通信關(guān)系。數(shù)據(jù)中心為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，系統(tǒng)通過VPMN（虛擬移動專網(wǎng)）在Internet或公用無線網(wǎng)絡(luò)中建立通道。為了將不同功能的運算集群有效地進行邏輯網(wǎng)絡(luò)劃分，數(shù)據(jù)中心采用屬性與總線型混合網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計整合HPC計算集群與分布式網(wǎng)絡(luò)存儲，同時系統(tǒng)的擴容與容錯能力又能以總線型的方式實現(xiàn)，有效利用了分布式系統(tǒng)的特點。

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層設(shè)計中的應(yīng)用實現(xiàn)的基本技術(shù)是部署虛擬化技術(shù)（VMware vShpere），Windows平臺或FreeBSD平臺將會部署于在基于虛擬系統(tǒng)層IAAS之上。而Windows HPC與Hadoop軟件將根據(jù)各自不同的特點部署到不同的操作系統(tǒng)平臺上去。例如：API接口系統(tǒng)，根據(jù)其設(shè)計程序XML+Java在系統(tǒng)平臺上的工作效率將其部署到Linux系統(tǒng)上。同時可以利用Linux的開源特性，將不同的被監(jiān)控信息平臺數(shù)據(jù)庫據(jù)其特點部署在不同版本的Linux系統(tǒng)上，并可以實現(xiàn).net平臺上的信息管理平臺與被檢測平臺數(shù)據(jù)庫的對接。

通過數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)通過中間件服務(wù)器管理系統(tǒng)（API）轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行儲存，本系統(tǒng)選擇Excel格式保存數(shù)據(jù)，主要針對采集數(shù)據(jù)量大且通過Windows HPC并行計算集群對數(shù)據(jù)加以快速計算處理。

設(shè)計思想源于企業(yè)ERP系統(tǒng)的URP聯(lián)合資源計劃（Union Resource Planning）通過建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和信息平臺使得各個應(yīng)用系統(tǒng)信息服務(wù)以一種松散耦合的方式集成在一起。各應(yīng)用系統(tǒng)擁有自己的獨立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，各應(yīng)用系統(tǒng)為客戶端用戶提供服務(wù)的方式是通過接口程序與信息平臺進行對接，對于每個用戶只需要試用一個唯一的ID號碼登錄URP信息平臺，就能夠調(diào)用對應(yīng)部署在其它應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的功能。而各個應(yīng)用系統(tǒng)只是通過URP登錄平臺集成給客戶端用戶，它們從物理到邏輯上彼此可能是相對孤立的，這種方式具備良好的靈活性。

圖4所示是URP平臺管理的機制流程，用戶首先通過唯一的ID登錄URP平臺，向平臺申請所需的功能服務(wù)。同時URP平臺的監(jiān)控中心響應(yīng)登錄平臺的用戶，并開始記錄該ID在平臺能的操作（即訪問路徑），然后對平臺的訪問狀況進行即時統(tǒng)計。系統(tǒng)管理員可以依據(jù)軟件監(jiān)控與流量監(jiān)控的結(jié)果結(jié)合實際情況進行調(diào)配工作，以滿足系統(tǒng)的硬件需求。

圖4URP平臺管理的機制流程

應(yīng)用服務(wù)程序可通過URP平臺針對用戶需求調(diào)用不同數(shù)據(jù)，然后將處理結(jié)果提供給終端用戶。海洋環(huán)境評價軟件將根據(jù)國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相對應(yīng)數(shù)據(jù)類型進行分析，獲得結(jié)果后可發(fā)布實驗結(jié)果。

數(shù)據(jù)庫采用分布式數(shù)據(jù)庫設(shè)計，針對不同終端采集的數(shù)據(jù)以終端種類為單位進行庫設(shè)計，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式并將歷史數(shù)據(jù)保存到分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。而不同終端采集上來的數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)格式的不同，因此需要在中間件系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進行格式處理。不同格式的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器上傳到中間件系統(tǒng)后，所有數(shù)據(jù)格式將被統(tǒng)一保存為Excel格式數(shù)據(jù)。

3結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗室系統(tǒng)能夠更有效的提高時間和設(shè)備的利用率，通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯(lián)網(wǎng)遠程實現(xiàn)平臺的效率基礎(chǔ)是遠程控制和系統(tǒng)化管理，硬件虛擬化技術(shù)的試用從平臺穩(wěn)定性的角度上給予了保障。在平臺應(yīng)用實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)該平臺可以實現(xiàn)對實驗人員和設(shè)備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現(xiàn)工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務(wù)。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統(tǒng)的實驗方法，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通過給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來高校和科研院所的實驗室建設(shè)必須具備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術(shù)降低分布式存儲系統(tǒng)部署成本[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)的研制成本[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數(shù)字化城市資源綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數(shù)字化校園物聯(lián)網(wǎng)信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園建設(shè)研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項目（201310792009）

Design of remote laboratory system based on Internet of Things

YU Xiang, WU Meng-xuan, ZHANG Jin-zhong, XING Yi-xuan, ZHAO Hai-bin

(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory

3結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗室系統(tǒng)能夠更有效的提高時間和設(shè)備的利用率，通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯(lián)網(wǎng)遠程實現(xiàn)平臺的效率基礎(chǔ)是遠程控制和系統(tǒng)化管理，硬件虛擬化技術(shù)的試用從平臺穩(wěn)定性的角度上給予了保障。在平臺應(yīng)用實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)該平臺可以實現(xiàn)對實驗人員和設(shè)備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現(xiàn)工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務(wù)。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統(tǒng)的實驗方法，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通過給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來高校和科研院所的實驗室建設(shè)必須具備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術(shù)降低分布式存儲系統(tǒng)部署成本[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)的研制成本[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數(shù)字化城市資源綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數(shù)字化校園物聯(lián)網(wǎng)信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園建設(shè)研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項目（201310792009）

Design of remote laboratory system based on Internet of Things

YU Xiang, WU Meng-xuan, ZHANG Jin-zhong, XING Yi-xuan, ZHAO Hai-bin

(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory

3結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗室系統(tǒng)能夠更有效的提高時間和設(shè)備的利用率，通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯(lián)網(wǎng)遠程實現(xiàn)平臺的效率基礎(chǔ)是遠程控制和系統(tǒng)化管理，硬件虛擬化技術(shù)的試用從平臺穩(wěn)定性的角度上給予了保障。在平臺應(yīng)用實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)該平臺可以實現(xiàn)對實驗人員和設(shè)備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現(xiàn)工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務(wù)。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統(tǒng)的實驗方法，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通過給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來高校和科研院所的實驗室建設(shè)必須具備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術(shù)降低分布式存儲系統(tǒng)部署成本[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)的研制成本[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數(shù)字化城市資源綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數(shù)字化校園物聯(lián)網(wǎng)信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園建設(shè)研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項目（201310792009）

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(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory