信息化時代構建智慧型物理實驗室的研究

吳慶州，王 濤，徐春燕，王玉玨

（南京理工大學 紫金學院，江蘇 南京 210046）

實驗教學是高等學校理工科人才培養(yǎng)方案中的重要組成部分，2018年1月，教育部頒布的《普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準》[1]更是凸顯了實驗教學的重要性，尤其明確了物理實驗課程是所有理工科學生的必修課程。物理實驗作為學生科學實驗訓練的入門基礎實驗，它具有受眾面廣、知識面廣、開課時間長等特點，有利于學生養(yǎng)成良好的科學實驗習慣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，顯著提高學生的動手能力[2]。隨著連年的本科擴招以及信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗教學和管理受到了極大的挑戰(zhàn)，如何高效智能地管理實驗室是廣大實驗教學管理人員亟待解決的一道難題。

1 智慧型物理實驗室建設的必要性

2018年6月，教育部長陳寶生在新時代中國高等學校本科教育工作會議上明確提出，在今后兩年到三年時間內，打造智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園，深化課堂教學革命[3]。隨著社會的進步、信息技術的發(fā)展，智慧實驗室建設將是大勢所趨[4-5]。啟動智慧實驗室建設，標志著實驗教學智慧管理時代的到來。5G的商用序幕已經拉開，物聯網技術、大數據、人工智能都將會有一個突飛猛進的發(fā)展，為建設更安全、舒適、高效、節(jié)能、環(huán)保的智慧實驗室?guī)砀玫募夹g保障。

目前，關于智慧實驗室還沒有一個明確的定義，各種百科全書上都未有智慧實驗室這個詞條。智慧實驗室不是智能實驗室，這已經得到廣泛認可。有學者認為將人的智慧與智能科技融入實驗室的設計、建設、運行、管理、發(fā)展等各環(huán)節(jié)里[6]，使實驗室發(fā)揮其在相關領域的技術支撐作用，這樣的實驗室應該算是“智慧實驗室”。

朱蓓薇院士指出，智慧實驗室是對實驗室管理的改革，更加充分利用信息技術讓實驗室更加高效、更加安全、更加便捷。而“智”即技術，“慧”即人，所以“以人為本”是智慧實驗室發(fā)展的根本[7]。這里面人的智慧不僅僅包括人類在自然科學技術方面的巨大成功，也包括在實驗室管理體制機制創(chuàng)新方面進行的探索與實踐。智慧實驗室將是各類實驗室發(fā)展的重要目標。

2 智慧型物理實驗室的系統(tǒng)構架

智慧實驗室建設根據教學型、科研型、科研教學型、教學科研型、綜合服務型等不同實驗室[8]的需求，可分為基礎、中端、高端三種類型。基礎型智慧實驗室主要為教學型實驗室服務，具備環(huán)境感知、實驗室控制、儀器控制、教學資源管理、實驗數據處理等功能。管理系統(tǒng)平臺作為最終的集成平臺應具有可兼容性及可升級性等特點，各傳感器數據輸出端應統(tǒng)一使用標準化接口，便于實現與手機端、電腦端、門戶網的數據對接。一般物理實驗室不產生廢氣廢水，建設管理相對更簡單一些，借助目前的技術手段更容易實現。針對物理實驗室的特點，本文設計的方案可以用于新建實驗室，也可以用于老舊實驗室改建，改建時在不改動現有儀器設備的情況下實現智能化，達到基礎型智慧實驗室的基本要求。

圖1為智慧型物理實驗室基礎架構關系圖，整個構架主要由感知、信息處理、系統(tǒng)管理三個層級組成。感知層主要通過物聯網技術、二維碼技術等實現環(huán)境數據的感知處理、儀器狀態(tài)數據的感知處理。信息處理層借助服務器、互聯網將感知層和管理層的數據收集處理反饋回去達成智能智慧控制。管理層主要依靠軟件調用顯示各類數據、處理相關指令、智能學習用戶習慣、智能研判數據等。

圖1 智慧型物理實驗室基礎架構

2.1 智慧型實驗室感知層硬件的設計實現

物理實驗使用的儀器多無法實時采集實驗數據，為此通過實驗者實時報送數據的方式實現實時數據采集。根據絕大多數物理儀器都需要使用電源這一特性，通過設計電源黑盒來控制儀器的使用。電源黑盒內裝有電源控制模塊，實時記錄當前儀器總電流情況，并加裝溫濕度傳感器感知黑盒周邊溫濕度情況，這些數據一旦開啟，管理層即可通過平臺顯示出某黑盒已經啟動。管理層在該實驗室通電情況下可以遠程控制該黑盒的開啟與關閉，通過攝像頭實時查看學生實驗情況。學生做實驗前通過微信掃碼開啟電源，做完實驗掃碼關閉電源，完成常規(guī)的實驗簽到簽退功能。黑盒可以識別使用者及使用時長，并自動記錄，可對某實驗室多少套儀器在運行做實時匯總。當個別儀器突發(fā)大電流時，第一時間預警、記錄，并在第一時間通知實驗員處理。

實驗室組網采用基于 CC2530的無線傳感網ZigBee技術，在不改變原有實驗裝置及布線的情況下可快速組網。圖2為感知層硬件組網示意圖，圖中E是終端節(jié)點（end device），連接每一臺實驗設備，在需要工作時自動加入 ZigBee網絡，待機時具有極低功耗，并且還可以設定為可周期性喚醒任務。設計時根據實驗室大小，兩到三個實驗室設置一個中心協(xié)調器（coordinator）協(xié)調控制每個實驗室的多個路由器（router）組成的MESH網絡（分布式無線網絡）。當有實驗設備電源黑盒開啟后，路由器通過掃描計算為其分配新地址，同時尋找最優(yōu)化數據轉發(fā)方式將數據傳輸到信息處理層。這樣組網的好處在于即使中心協(xié)調器斷電，路由器仍然能夠相互通信，每臺儀器依然可以獨立工作，新打開的實驗設備依然可以加入并且可以通過工作的路由器進行分配地址。整個實驗室的每個路由器必須在同一個 ZigBee網絡內，保證所有的終端節(jié)點具有相同頻道PAN ID（網絡ID）。

圖2 感知層硬件組網示意圖

圖3 為CC2530模塊電路圖，圖中所示的CC2530模塊的無線傳輸電路設計上采用ADC（analog-to-digital converter）采樣，通過遠程PWM波輸出來控制ADC采樣，可以有效簡化指令，實現數據傳輸和智能控制。在硬件層的傳感器中一般包含離子式煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、溫濕度傳感器、光照度傳感器、聲光報警傳感器等。

圖3 CC2530模塊電路圖

2.2 智慧型實驗室信息層、管理層設計實現

信息層充分利用現代化信息技術手段，具有智能處理各類數據的功能，可以大幅度提高實驗室的管理水平。管理層借助物聯網實現對物的管理，并通過打通現有實驗室網站、資產處網站、資產管理系統(tǒng)、實驗教學系統(tǒng)，實現對信息資源的整合管理。管理層通過各種輸出方式實現與手機、電腦、多媒體、電視端等連接，從而使管理人員便捷掌握實驗室內的各種信息，管控實驗室內的各類設備。

數據的處理采用目前使用較為廣泛的Lambda架構[9]，基于Lambda架構的數據處理原理如圖4所示，將獲取到的新數據同時輸入到批處理層和數據流速度處理層，經過運算后將兩個層面的運算視圖在查詢時將結果輸出給用戶。這種架構有效整合了數據讀寫與應用分離、數據結構融合、離線與實時計算等常用架構原則，便于數據的實時處理，且具有通用性、高容錯、易調試、易維護、易查詢、易擴展、低延時等特點，同時易于集成常用的大數據組件，如Phoenix、Spark、Presto、Pig、Storm、Stinger等。

管理層交互設計采用了B/S架構即瀏覽器和服務器架構模式，這也是目前各類實驗教學管理系統(tǒng)使用最多的一種交互模式[10]。采用該架構可以將所有的程序運算在服務器主機上完成，用戶借助瀏覽器便可交互查詢，不需要額外安裝App，也便于接入微信公眾平臺，通用性更強。

圖4 基于Lambda架構的數據處理原理

3 子系統(tǒng)的設計實現

3.1 微信一鍵注冊登錄

每臺設備終端通過電源黑盒互聯，將電源黑盒ID信息生成二維碼，學生用手機端掃碼即可進入控制界面，學生賬號與微信綁定，利用微信一鍵登錄注冊使用儀器。掃碼登錄后學生可以選擇設置儀器通電時間、實驗數據上傳、儀器報修、關閉儀器等功能。

3.2 儀器使用系統(tǒng)

學生一旦掃碼后數據中心即可收到信息并記錄相關數據，同時將數據傳輸至管理層，管理層工作人員可以實時查看儀器誰在用，用了多久，有無異常等。學生上報的實驗數據通過數據中心智能分析后，如遇數據出入較大，系統(tǒng)通過微信平臺直接反饋給學生，從而提升學生實驗效率。該系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的手工簽到、簽退、點名等工作，可以自動生成數據報表。何時何人在用這臺儀器一目了然，實現對儀器使用追溯。

3.3 考試系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含系列考試，實驗室安全考試，預習測試，實驗單項測試，綜合測試等，根據考試需要設定考試形式，可以是開放式隨時考，也可以是統(tǒng)一考試。實驗單項測試可以在實驗室里邊做實驗邊完成考試，檢驗學生動手能力。該系統(tǒng)根據教師設定的規(guī)則自動評判學生平時成績，更加科學公平。

3.4 實驗數據存儲及評分系統(tǒng)

數據存儲分析涉及大數據和人工智能，系統(tǒng)通過收集學習實驗數據，綜合研判當前溫濕度環(huán)境下實驗合理數值，智能識別編造數據、抄襲數據，讓學生養(yǎng)成自己動手測量的好習慣。

3.5 實驗室預約系統(tǒng)

預約采用審核機制，針對學生的不同目的選擇不同的預約類型，如到實驗室看儀器、重測數據、補測數據，或者預約研究性實驗等。預約系統(tǒng)自動匹配可選儀器和可選日期，可設定實驗員或實驗教師最終審核。學生按預約通過門禁系統(tǒng)進入實驗室后用手機微信掃碼即可進入儀器使用系統(tǒng)，進行實驗的相關操作。

3.6 實驗室監(jiān)測系統(tǒng)

采用高清攝像頭搭配各類傳感器完成硬件鋪設，監(jiān)測系統(tǒng)360度云臺遠程操控。智慧實驗室的攝像頭不是單純的錄像功能，通過 AI人臉識別算法可以實時識別實驗室內人數[11]。在出現火災等險情時能夠與管理層智能聯動，在非實驗時段自動進入偵測報警模式，只要有人或者動物進入就會發(fā)出警報，同時將畫面?zhèn)髦凉芾韱T手機及郵箱里，可以有效防盜和防入侵。

3.7 資產管理子系統(tǒng)

資產管理系統(tǒng)與儀器使用系統(tǒng)連通，包含儀器設備分布情況、使用情況、維修次數等功能。實現任何一臺儀器使用情況溯源，維修情況溯源，智能分析儀器老化程度。

4 結語

知識社會環(huán)境下的智慧實驗室是繼實驗室信息數字化之后即將發(fā)展起來的高級形態(tài)。智慧實驗室對提升實驗管理水平、教學效果，打造實驗金課有很大的輔助作用，是實現實驗室高效智能運轉的最好辦法。對現有教學實驗室的改造升級，通過加裝智能設備，利用信息化平臺快速構建智慧型實驗室有著較大的社會需求，本文所介紹的方案對教學型實驗室的改造升級有一定的借鑒意義。