基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳佳音

摘 要物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)與傳感技術、人工智能技術、大數(shù)據(jù)分析技術相互結合的產物，是網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，人類社會的方方面面都將融入到這個智能化的全球網(wǎng)絡中，我國只有不斷加大對相關技術和設施的投入和研究，才能在這一波新技術浪潮中搶占先機。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室系統(tǒng)，正是在這種背景下，通過分析國內現(xiàn)有實驗室體系和相關研究成果的局限性和不足，提出了相應的設計思路和解決方案，并完成了實現(xiàn)和部署。實踐證明設計方案是可行的和有效的。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 智慧實驗室

1 研究背景

2016年3月-2017年5月，谷歌公司的智能設備AlphaGo先后擊敗韓國頂級圍棋手李世和人類世界排名第一的中國選手柯杰，該案例明確的告訴世人，人工智能的新時代來臨了！雖然AI（人工智能）在創(chuàng)造性上仍然遠遜于人類，但在處理海量信息和數(shù)據(jù)挖掘的方面卻有著人類無法匹敵的優(yōu)勢。

物聯(lián)網(wǎng)本身具有強大的感知、集成和處理數(shù)據(jù)的能力，其又與智能化管理、大數(shù)據(jù)分析技術、分布式計算等技術逐漸溶為一體，形成新一代無所不在萬物相連的智能化網(wǎng)絡。未來生活的方方面面都應該以此為依托，沒有物聯(lián)網(wǎng)，我們將寸步難行。

高校實驗室肩負著科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的雙重使命，設備多樣，人員復雜，環(huán)境要求高，信息流量大，安防工作繁重，傳統(tǒng)的管理方式早已無法適應實驗室發(fā)展需要。物聯(lián)網(wǎng)技術可以依托信息化環(huán)境，利用感知、協(xié)同、控制等領域的前沿技術，優(yōu)化實驗室資源配置，為管理、教學、安防、倉儲提供細微、立體、全面的智能服務。在這種背景下，本文提出了建立以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的智慧實驗室系統(tǒng)的構想，采用多種傳感、網(wǎng)絡、安全、智能控制技術，系統(tǒng)化的對人員、設備、安防、環(huán)境實現(xiàn)管理和監(jiān)控。

2 研究狀況

近幾年，國內部分學者對智慧實驗室系統(tǒng)先后提出了前景分析和構想，如2012年，周燕華等提出《物聯(lián)網(wǎng)讓實驗室變“智慧”》，2014-2015年，《實驗室研究與探索》期刊上發(fā)表了《現(xiàn)代智慧實驗室建設》（林燕奎等）、《智慧實驗室架構研究》（周春月等）等文章對智慧實驗室建設提出了討論和構想。然而，目前國內對于智慧實驗室系統(tǒng)的研究還主要集中于理論設計或者單一模塊功能的實現(xiàn)，市場上并不存在一款通用的，集設備、人員、安防管理于一身的智慧實驗室系統(tǒng)。由此導致了集成度低、數(shù)據(jù)挖掘困難等問題。具體表現(xiàn)為：

（1）由于沒有統(tǒng)一設計的智慧實驗室系統(tǒng)，實驗室只能采用功能單一管理軟件的實現(xiàn)對設備、人員、安防的分別管理，如JIT（JUST IN TIME）系統(tǒng)、人員信息管理系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等，難以體現(xiàn)人員和設備、安防之間的各種互動關系（如攜帶、使用、借出、保管等）。

（2）因各子系統(tǒng)軟件互不統(tǒng)屬，其在設計、開發(fā)及數(shù)據(jù)結構上存在較大差異，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通極為麻煩，更惶論從數(shù)據(jù)中提取關系、進行智能決策。

綜上所述，為了加強對人員、設備、安防等內容的一體化管理，提高實驗室工作效率，利用物聯(lián)網(wǎng)技術建立本地化的快捷、輕便、高效、智能的綜合管理系統(tǒng)勢在必行。

3 研究難點及主要內容

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室系統(tǒng)，由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成，其中應用層又可以分為表示層、控制層、持久化層等子層，整個系統(tǒng)的設計從最底層的硬件系統(tǒng)到面向用戶的圖形界面，跨度很大，對設計人員的要求很高，其難點主要在于系統(tǒng)集成，軟、硬件協(xié)同工作，跨平臺兼容性等三個方面。下面分別從系統(tǒng)功能模塊角度和軟件架構層次角度對研究內容做以說明。

智慧實驗室系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示，主要包含：

（1）系統(tǒng)登陸模塊：允許管理員采用網(wǎng)絡認證、指紋掃描、RFID等多種方式登陸系統(tǒng)，查詢、修改數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡信息平臺：基于B/S架構瀏覽關鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程控制、管理系統(tǒng)

（3）中央控制平臺：主操控界面，可進行人員、設備、安防等多個模塊的可視化管理。

（4）數(shù)據(jù)平臺：為中央控制平臺提供持久化和查詢服務。

（5）掃描倉儲模塊：使用一維/二維編碼、有線/無線掃碼器，配合數(shù)據(jù)平臺、局域網(wǎng)，完成生成條碼、掃碼、出庫、入庫、賬目統(tǒng)計等操作。

（6）人員管理模塊：使用物聯(lián)認證設備實現(xiàn)人員打卡、進出記錄、設備出借等操作，相關日志保存至數(shù)據(jù)庫平臺。

（7）安防系統(tǒng)：由身份認證、門（窗）禁、視頻監(jiān)控、聲頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、報警等模塊組成，利用紅外、Zigbee、攝像頭、光感、聲感、煙感、溫感、濕感、報警器等設備實現(xiàn)全方位的安全防護。

（8）燈光電力系統(tǒng)：實現(xiàn)燈光、用電的智能控制。

（9）智能展柜模塊：實驗室作品放入智能展柜公開展示，未經授權無法打開展柜，經授權操作都將被展柜系統(tǒng)記錄，相關視頻、人員及展品移動信息都將存入數(shù)據(jù)平臺。

（10）擴展模塊：預留硬件接口擴展板及軟件編程切面，留待未來實現(xiàn)，或添加新功能。

智慧實驗室架構層次如圖2所示，其主要包含：

（1）傳感控制網(wǎng)絡：由傳感器+控制器組成，對關鍵地域的溫度、濕度、圖像、聲音、紅外等物理參數(shù)實施監(jiān)控，并對相關設備、節(jié)點進行遠程控制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的感知層和硬件抽象。

（2）ARM+Linux+Android中控平臺：利用基于Arm架構處理芯片、Linux操作系統(tǒng)及Android平臺，對傳感控制網(wǎng)絡信息的進行匯總和可視化操作，并將數(shù)據(jù)交互至Windows平臺，從而實現(xiàn)移動端應用開發(fā)。

（3）Windows平臺：建立基于Windows操作系統(tǒng)的監(jiān)視、管理、控制程序并同Arm平臺、Web平臺及DB進行交互，實現(xiàn)桌面級應用開發(fā)。

（4）Web信息控制平臺：建立基于html5的、適應多種平臺的網(wǎng)站，實時展示系統(tǒng)參數(shù)并接受來自網(wǎng)絡的控制請求。endprint

（5）數(shù)據(jù)庫（DB）：保存系統(tǒng)參數(shù)、主要數(shù)據(jù)、身份信息及日志。

實現(xiàn)效果：

4 實現(xiàn)效果

智慧實驗室系統(tǒng)通過Qt編程實現(xiàn)。軟件共包含監(jiān)控子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)兩大部分，利用雙重密碼機制加以保護。使用瀏覽器或客戶端經第一密碼身份認證后可以登錄中控臺。如圖3所示，整個窗體共包含六類監(jiān)控機制：

（1）Zigbee網(wǎng)絡監(jiān)控菜單用于切換無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)控窗體。

（2）全局監(jiān)控菜單用于切換全局視角（即當前圖3所示內容）。圖中左側為智慧實驗室平面布局動圖，每個子區(qū)域都可以用鼠標點擊，從而進入該區(qū)域的監(jiān)控子窗口，右上為傳感器節(jié)點信息子窗口，可以通過點擊全局動圖中的傳感器圖標（圖中圓點）單獨獲取任意傳感器的監(jiān)控信息，如有特定報警傳感器被觸發(fā)，也會優(yōu)先顯示在傳感器子窗口。右下為視頻監(jiān)控子窗口，動態(tài)顯示當前被選中攝像頭的攝入影像。

（3）藍牙網(wǎng)絡監(jiān)控菜單用于獲取藍牙設備監(jiān)控信息。

（4）電力系統(tǒng)菜單用于對智慧實驗室的電力電子系統(tǒng)進行監(jiān)控

（5）視頻網(wǎng)絡監(jiān)控菜單構建了視頻墻效果。統(tǒng)一對系統(tǒng)內所有的攝像頭進行視頻監(jiān)控和管理。

（6）監(jiān)控日志菜單用于記錄所有門禁、報警信息及傳感器狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)進行采樣、保存和分析。

監(jiān)控子系統(tǒng)下側是管理子系統(tǒng)入口，通過第二密碼可以進入管理子系統(tǒng)，從而對平臺各功能模塊參數(shù)、人員信息、倉儲信息等內容進行詳細的查詢、備份和修改。

5 運行與測試

2017年1-6月，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室系統(tǒng)在某高校的實驗室進行了多次安裝和測試，獲得評測結果如表1所示。實踐證明系統(tǒng)是穩(wěn)定和高效的。

參考文獻

[1]高永清，商丹.基于ZigBee智慧實驗室系統(tǒng)的設計[J].電視技術，2015，39（08）.

[2]林燕奎，熊貝貝等.現(xiàn)代智慧實驗室的設計和應用[J].實驗室研究與探索，2014，33（06）

[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，2014，33（05）

[4]賴程鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室的研究與設計.華北電力大學碩士學位論文，2015（03）.

作者單位

長春金融高等?？茖W校 吉林省長春市 130028endprint