物聯(lián)網(wǎng)技術支持下的高校智慧實驗室構建探析

劉昌鑫 陳慧娟 歐陽春娟 彭嵩松

摘 要：文章介紹了當前智慧實驗室建設的現(xiàn)狀和核心功能，闡述了智慧實驗室的概念，構建了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室架構模型，設計了智慧實驗室系統(tǒng)功能模塊。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對實驗室設備、環(huán)境等進行智能監(jiān)管的基本功能，為高校智慧實驗室建設提供了整體解決方案。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園；智慧實驗室；ZigBee

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）07-0054-03

一、物聯(lián)網(wǎng)與智慧實驗室

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，我國高校實驗室在設備管理、實驗課程教學與管理、開放實驗室、實驗教學資源管理等實踐教學環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了在線信息化管理，高校實驗室管理的信息化應用水平有了極大的提高。但是各高校實驗室的日常管理仍然歸口在二級學院，由二級學院完成實驗室的規(guī)劃、課程實驗教學的實施、實驗教學設備的購置等，這樣導致學院之間存在著實驗資源重復購置、實驗設備利用率低、實驗室開放范圍有限、實驗資源分散和實驗室環(huán)境缺乏有效監(jiān)測和預警等問題。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)開始廣泛應用于智慧城市和智慧校園建設，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于高校實驗室管理，可以有效地解決高校實驗室管理存在的問題，也為全面提升高校實驗室信息化管理水平帶來了新的機遇，高校實驗室管理智慧化已經(jīng)成為未來高校實驗室建設的必然發(fā)展趨勢。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）是通過射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把物品與網(wǎng)絡連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。[1]以物聯(lián)網(wǎng)技術打造智慧校園建設，為高校智慧學習環(huán)境構建帶來了誘人的機遇和挑戰(zhàn)，智慧教育成為全國教育信息化的發(fā)展方向。[2]

智慧實驗室是智慧校園的重要組成部分，是以物聯(lián)網(wǎng)為核心，利用新一代信息技術為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務平臺，實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動協(xié)作以及開放實驗室設備資源、教學資源，科研資源的高度信息共享等。[3]

目前，部分高校已經(jīng)開始打造智慧實驗室。華北電力大學現(xiàn)代無線通信實驗室構建了一個開放、共通的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的通信實驗室平臺。[4]吳蓬勃等人利用物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)了實驗室監(jiān)管系統(tǒng)，主要實現(xiàn)了實驗室的智能課堂管理、智能電源管理、智能環(huán)境管理等功能。[5]王慧淵等人構建的智能實驗室監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對實驗設備的遠程監(jiān)管、實驗室環(huán)境的信息采集以及安全與能耗管理等。[6]利用物聯(lián)網(wǎng)技術，許多公司也開始致力于開發(fā)高校智慧實驗室管理系統(tǒng)，如智慧實驗室綜合監(jiān)管系統(tǒng)、開放實驗室預約系統(tǒng)等等。本文針對地方本科高校實驗室的實際需求，探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室架構設計，為地方本科高校智慧實驗室建設提供建議和參考解決方案。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室架構設計

物聯(lián)網(wǎng)、云計算和泛在網(wǎng)絡是構建高校智慧校園的關鍵技術。由于地方本科高校實驗室建設投入有限，智慧實驗室的構建要充分考慮系統(tǒng)的可擴展性，預留智慧實驗室擴建的接口。根據(jù)地方本科高校的實驗室建設的實際情況，參考物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結構，本文構建了智慧實驗室架構模型，如圖1所示。

智慧實驗室構架模型分成三層，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層主要依靠RFID和傳感器等設備采集實驗室的環(huán)境參數(shù)。網(wǎng)絡層主要由有線和無線網(wǎng)絡基礎設施組成。應用層主要由門戶網(wǎng)站、實驗公共數(shù)據(jù)庫、各種實驗室智能監(jiān)管系統(tǒng)等組成。

三、高校智慧實驗室系統(tǒng)設計

高校智慧實驗室系統(tǒng)是師生進行課程教學實驗、課程設計、科研創(chuàng)新、學科競賽等教學實踐的綜合平臺，系統(tǒng)主要由基于RFID的實驗室設備管理系統(tǒng)、開放實驗室預約系統(tǒng)、基于ZigBee的實驗室智能監(jiān)控系統(tǒng)、智慧實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)、實驗公共數(shù)據(jù)庫、實驗教學與管理中心門戶網(wǎng)站等組成。

1.基于RFID的實驗室設備管理系統(tǒng)設計

學校對每一個實驗室設備進行統(tǒng)一編號，設備搬出實驗室會自動報警，利用RFID技術可以實現(xiàn)對設備進行定位。基于RFID的實驗室設備管理系統(tǒng)主要包括固定資產(chǎn)管理、低值易耗品管理等。固定資產(chǎn)管理包括設備增刪、查詢、借用、維修、統(tǒng)計、定位等，低值易耗品管理包括查詢、領用、統(tǒng)計等。

2.開放實驗室預約系統(tǒng)設計

師生通過網(wǎng)上預約實驗，使實驗員開放實驗室非常方便，實驗安排更加科學合理。開放實驗室預約系統(tǒng)包括權限管理、預約管理、查詢管理、門禁管理、審批管理等功能，預約管理主要是實現(xiàn)預約申請、預約審核、實驗進度等，查詢主要是查詢實驗室類別、實驗項目、設備狀態(tài)、預約狀況等。

3.基于ZigBee的智慧實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設計

基于ZigBee的智慧實驗室監(jiān)控系統(tǒng)主要由智能設備監(jiān)控系統(tǒng)、智能安全系統(tǒng)、智能供電系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等組成。智能設備監(jiān)控系統(tǒng)完成對實驗室大型儀器設備的遠程監(jiān)測；智能安全系統(tǒng)完成對實驗室危險品、維護人員的監(jiān)控；智能供電系統(tǒng)完成實驗室照明控制、遠程電源管理、電力監(jiān)測等功能；智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)完成對實驗室設備運行環(huán)境進行監(jiān)測。

整個系統(tǒng)包括服務器、路由器、ZigBee協(xié)調器和ZigBee終端等，服務器通過實驗室監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室信息管理的智慧化，并對協(xié)調器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理。路由器負責接收終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)轉發(fā)到服務器。ZigBee協(xié)調器負責路由器或終端節(jié)點數(shù)據(jù)的轉發(fā)。ZigBee終端節(jié)點負責實驗室環(huán)境現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。

系統(tǒng)的關鍵技術是設計ZigBee協(xié)調器和ZigBee終端，主要包括主控CPU、ZigBee模塊、RFID模塊、串口、傳感器模塊和門禁模塊等。

（1）主控CPU。一般選用ARM內核，如三星的 ARM Cortex-A8、ST公司的ARM Cortex-M3等芯片。

（2）ZigBee無線網(wǎng)絡模塊。市場上ZigBee主要芯片提供商（2.4GHz）為TI/Chipcon、Ember（ST）、Jennie、Freescale、UBEC等，ZigBee模塊一般選用CC2430/CC2530芯片。CC2430芯片集成了ZigBee射頻（RF）前端、內存和8051MCU。

（3）傳感器模塊。主要由紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等組成。

4.實驗室智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

實驗室視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠記錄進出實驗室的人員情況，實現(xiàn)實驗室遠程視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)由智能監(jiān)管系統(tǒng)、智能預警系統(tǒng)等組成。智能監(jiān)管系統(tǒng)主要包括實驗室地圖、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、巡視系統(tǒng)、對講呼叫系統(tǒng)、緊急報警系統(tǒng)、智能視頻分析等功能。智能預警系統(tǒng)主要包括應急預警、危險實驗室預警、門窗預警、實驗人員預警、用電預警、安全預警情況查詢等功能。

5.實驗公共數(shù)據(jù)庫設計

實驗公共數(shù)據(jù)庫主要是實現(xiàn)實驗設備、人員和場地等數(shù)據(jù)的共享和優(yōu)化，包括固定資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、實驗耗材數(shù)據(jù)庫、場地數(shù)據(jù)庫、實驗人員數(shù)據(jù)庫、實驗項目數(shù)據(jù)庫等。固定資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫包括設備編號、設備名稱、型號規(guī)格、生產(chǎn)廠家、價格、購置日期等。實驗耗材數(shù)據(jù)庫包括名稱、規(guī)格、數(shù)量、產(chǎn)地等。場地數(shù)據(jù)庫包括名稱、地址、所在部門、面積等。實驗人員數(shù)據(jù)庫包括姓名、性別、年齡、職稱、所學專業(yè)等。實驗項目數(shù)據(jù)庫包括實驗名稱、所屬課程、實驗學時、實驗室名稱、實驗地點、開設時間、指導教師、分組情況等。

6.智慧實驗教學與管理中心門戶網(wǎng)站

實驗教學與管理中心門戶網(wǎng)站主要是為實驗教師和學生提供一個支持實驗教學和學習的網(wǎng)絡教學平臺，該平臺可以對實驗資源進行合理分配和管理，是各種實驗室管理系統(tǒng)、教師實驗教學管理和學生學習交流的入口。

四、總結

文章闡述了智慧實驗室的概念，構建了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室架構模型，設計了智慧實驗室系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對實驗室設備智能管理的基本功能。但是探索基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室建設的研究才剛剛起步，智慧實驗室建設存在投資成本大收益低、各種智能監(jiān)控系統(tǒng)融合難、實驗室維護難等問題。如何設計高效、融合的智慧實驗室系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室的智慧化無縫管理，仍然是今后智慧實驗室建設的努力方向。

參考文獻：

[1]朱洪波，楊龍祥，于全.物聯(lián)網(wǎng)的技術思想與應用策略研究[J].通信學報，2010 （11）：2-9.

[2]楊現(xiàn)民，余勝泉.智慧教育體系架構與關鍵支撐技術[J].中國電化教育，2015（1）：77-84.

[3]周春月，閆子淇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室架構研究[J].實驗室研究與探索，2014 （5）：239-242.

[4]車轔轔，孔英會，趙建立，程文清.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室設計[J].實驗技術與管理，2013（10）：212-215.

[5]吳蓬勃，李學海，楊斐，張金燕.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2015（3）：78-85.

[6]王慧淵，張珣.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能實驗室的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2013（10）：64-67.

（編輯：王天鵬）