物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)

蘇鑫

摘 ?要： 高校為培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、高技能的新型人才建立了多種類的多媒體實(shí)驗(yàn)室，但是其管理還停留在人工管理階段，效率低、安全性差，為解決這一問題，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)感知層通過傳感器等設(shè)備采集并感知數(shù)據(jù)，接入層將終端接入網(wǎng)絡(luò)并處理感知層采集的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)層將這些數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確地傳遞至應(yīng)用層，應(yīng)用層中使用近距離搜索法降低各傳感器采集的數(shù)據(jù)維度，在此基礎(chǔ)上安全控制裝置將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或做出報(bào)警反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全控制;各層相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)多媒體實(shí)驗(yàn)室的智能化管理。分析結(jié)果說明，該系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間短，管理效率和安全性都較高，具有良好的智能管理效果。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 多媒體; 實(shí)驗(yàn)室; 智能管理; 相似系數(shù)矩陣; 近距離搜索

中圖分類號： TN915.5?34; TP181 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）23?0173?05

Abstract： Various multimedia laboratories have been established in universities to train innovative and highly?skilled talents， but the management of them is still in the manual stage， which is inefficient and unsafe. In view of this， a multimedia laboratory intelligent management system based on the Internet of Things technology is designed. In the system， the sensing layer collects and senses data by sensors， while the access layer connects the terminal to the network and processes the data collected by the sensing layer， and then the data is safely and accurately transmitted to the application layer by the network layer. In the application layer， the short?range search method is used to reduce the data dimension collected by each sensor. On this basis， the security control device stores these data or makes an alarm as feedback， so as to realize the system security control. Each layer cooperates with each other to realize the intelligent management of multimedia laboratory. The analysis results show that the system has the advantages of short execution duration， high management efficiency and security， and good intelligent management effect.

Keywords： the Internet of Things; multimedia; laboratory; intelligent management; similarity coefficient matrix; close?range search

0 ?引 ?言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是人類再次進(jìn)步的機(jī)遇。在如今的生活中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)影響，人類生活質(zhì)量發(fā)生質(zhì)的飛躍[1?3]。在目前社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)占有重要地位，科學(xué)合理地使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效推動(dòng)社會(huì)整體發(fā)展進(jìn)步。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)結(jié)合智能技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來的產(chǎn)物[4]，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在高校教學(xué)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展等領(lǐng)域[5?6]。人與物能夠?qū)崿F(xiàn)通信[7]，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)全球智慧性，這一趨勢也是全人類發(fā)展的必然方向，物聯(lián)網(wǎng)的使用改善了人們的生活，使得日常生活更加方便和舒適。

近年來各大高校實(shí)行擴(kuò)招政策，學(xué)生人數(shù)的增加給高校帶來極大的教學(xué)壓力，理工類院校多媒體實(shí)驗(yàn)室壓力也逐漸增大。目前高校中多媒體實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、環(huán)境、管理手段都相對落后，不能適應(yīng)高壓情況下的教學(xué)需求[8?9]。近年來國家也要求高校打造多元化教學(xué)，各大高校實(shí)驗(yàn)室需要具備智能化和信息化的能力[10]。傳統(tǒng)多媒體實(shí)驗(yàn)室管理方法通常為人工管理，成本高、效率較低同時(shí)還浪費(fèi)人力物力，容易出現(xiàn)信息更新不及時(shí)的情況，監(jiān)管和維護(hù)都無法做到全局兼顧，導(dǎo)致多媒體實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)設(shè)備遺失的情況[11]。傳統(tǒng)的管理方式由于成本過高，為控制成本，裁減人力及設(shè)備常常會(huì)造成安全隱患。從教學(xué)的角度來說，傳統(tǒng)的多媒體實(shí)驗(yàn)室管理方法無法實(shí)現(xiàn)資源共享，高精密設(shè)備在相同性質(zhì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳遞使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的轉(zhuǎn)借手續(xù)，工作過程過于繁瑣[12]。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在多領(lǐng)域廣泛使用，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入多媒體實(shí)驗(yàn)室管理中，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)時(shí)，需要從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，對安全性、可靠性、實(shí)用性等因素多角度考量，了解物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)技術(shù)后，考慮到物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)情況與服務(wù)類型[13]，本文設(shè)計(jì)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包含4層，分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層與接入層，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在本文系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與感知的是感知層，該層的組成包括各種類型的傳感器、攝像頭、RFID射頻識別設(shè)備與條碼識讀器等識別類工具;接入層的主要工作是把系統(tǒng)終端與網(wǎng)絡(luò)連接，主要組成部分包括接入網(wǎng)關(guān)、匯集節(jié)點(diǎn)以及末梢網(wǎng)絡(luò)分布式處理等;網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)把經(jīng)接入層處理的數(shù)據(jù)通過WiFi、互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)和紫蜂（ZigBee）等技術(shù)準(zhǔn)確、安全地傳遞至應(yīng)用層;應(yīng)用層接收網(wǎng)絡(luò)層傳遞來的信息數(shù)據(jù)并實(shí)行分析處理，將正確的信息篩選出來并應(yīng)用，實(shí)行教學(xué)智能化管理、設(shè)備智能化管理、安全防護(hù)智能化管理、數(shù)據(jù)智能化管理。

1.2 ?系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與硬件組成

在構(gòu)建多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)時(shí)主要用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、視頻的采集與傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等[14]。本文設(shè)計(jì)的多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)開放并共享多媒體實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各種資源，為教師的教學(xué)提供了便利條件，同時(shí)也使用信息化技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)造了有利于自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并為校方提供了先進(jìn)快捷的管理方式，為今后的科學(xué)研究和學(xué)科教學(xué)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)有效保證了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各設(shè)備的安全性和利用率，側(cè)面加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施提供了安全保障。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

在系統(tǒng)拓?fù)鋱D中，終端控制與門禁控制是整個(gè)多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的控制裝置;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用邏輯服務(wù)器、防火墻以及交換機(jī)等部分是核心支撐平臺(tái);通過傳感器采集數(shù)據(jù)，匯總到數(shù)據(jù)采集箱;攝像頭對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的情況實(shí)行拍攝，經(jīng)監(jiān)控錄像機(jī)傳遞至監(jiān)控硬盤存儲(chǔ);通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信連接教師與學(xué)生，方便教師為學(xué)生答疑解惑;教師用戶和學(xué)生用戶使用電腦、移動(dòng)設(shè)備和LED大屏幕等設(shè)備作為客戶端應(yīng)用。

1.3 ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

1.3.1 ?多媒體實(shí)驗(yàn)室信息管理

多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)中通過煙霧傳感器、有害物質(zhì)監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、電流電壓傳感器等傳感器采集數(shù)據(jù)，然而采集后的數(shù)據(jù)存在維度較高的問題，因此本文使用相似系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)的近距離搜索法解決這一問題[15]。在目前已有研究基礎(chǔ)上使用杰卡德相似系數(shù)降低多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)維度。在杰卡德相似系數(shù)中集合[X]和集合[Y]相交，在并集元素個(gè)數(shù)之和中交集內(nèi)元素?cái)?shù)總數(shù)所占比例用式（1）表示：

運(yùn)用該近距離搜索方法，將信息數(shù)據(jù)的維度有效降低，給多媒體實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)智能化管理安全控制打下基礎(chǔ)。

1.3.2 ?安全控制

在多媒體實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)中安全控制實(shí)施方案如圖3所示。

煙霧傳感器、有害物質(zhì)監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、電流電壓傳感器負(fù)責(zé)采集多媒體實(shí)驗(yàn)室煙霧與有害物質(zhì)情況、人體溫度、溫度與濕度以及電流電壓信息，將這些信息匯總并通過近距離搜索方法降維后傳遞至安全監(jiān)控裝置，該裝置將這些數(shù)據(jù)整合分析，將無異常的數(shù)據(jù)傳遞至反饋控制裝置存儲(chǔ)起來，如果存在異常數(shù)據(jù)立刻傳遞至聲光、電話、短信報(bào)警裝置，通過短信、電話等方式發(fā)出報(bào)警信息。同時(shí)，安全監(jiān)控裝置通過互聯(lián)網(wǎng)與安全監(jiān)控中心、系統(tǒng)管理人員以及數(shù)據(jù)庫/Web服務(wù)器連接，保證管理人員和控制中心實(shí)時(shí)獲取相關(guān)安全數(shù)據(jù)，及時(shí)作出相關(guān)操作，數(shù)據(jù)庫/Web服務(wù)器將這些安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便于今后查詢;電腦、手機(jī)、平板等終端與數(shù)據(jù)庫/Web服務(wù)器相連，能夠顯示互聯(lián)網(wǎng)傳遞來的信息數(shù)據(jù)。

2 ?仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的是驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，以廣西省桂林理工大學(xué)多媒體實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)對象，將本文系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于該多媒體實(shí)驗(yàn)室的管理中。電腦CPU為Inter Core 2Duo，硬盤內(nèi)存為512 GB，編程采用Visual Studio 2019實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)界面如圖4所示。

該系統(tǒng)界面中包含三個(gè)主要選項(xiàng)，為在校師生提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，界面左側(cè)設(shè)置教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、設(shè)備、數(shù)據(jù)、人員和安全等智能管理選項(xiàng)，使用者可以根據(jù)不同需求點(diǎn)擊按鈕選擇需要的內(nèi)容，其中安全智能管理按鈕點(diǎn)擊之后的界面如圖5所示。

在安全智能管理界面中可以看到通過各項(xiàng)安全控制設(shè)備顯示的信息，這些設(shè)備與各感應(yīng)器相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測多媒體實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備數(shù)據(jù)，對整個(gè)多媒體實(shí)驗(yàn)室的安全實(shí)行智能化管理，通過本文系統(tǒng)可以對各項(xiàng)設(shè)備實(shí)行操作，整個(gè)多媒體實(shí)驗(yàn)室的安全情況都在本文系統(tǒng)管理之下。

由于本文系統(tǒng)是一個(gè)智能化的管理系統(tǒng)，因此可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取多媒體實(shí)驗(yàn)室使用情況。為對比本文系統(tǒng)導(dǎo)出結(jié)果的準(zhǔn)確性，將本文系統(tǒng)與基于粗糙集的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)（以下簡稱粗糙集系統(tǒng)）和基于RFID的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)（以下簡稱RFID系統(tǒng)）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況實(shí)行對比，統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)2018年4月1日—30日多媒體實(shí)驗(yàn)室利用率，結(jié)果見表1。

通過表1可以看出，在一個(gè)月的統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，本文系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的多媒體實(shí)驗(yàn)室利用率情況與實(shí)際統(tǒng)計(jì)的多媒體實(shí)驗(yàn)室使用情況比較接近，而另兩種系統(tǒng)與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差較大，由此可以看出，本文系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果更為準(zhǔn)確。通過智能管理能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出多媒體實(shí)驗(yàn)室的使用情況，只有準(zhǔn)確掌握多媒體實(shí)驗(yàn)室的使用情況，校方才能制定準(zhǔn)確的教學(xué)計(jì)劃和院校今后的建設(shè)計(jì)劃，有效避免出現(xiàn)過渡建設(shè)而利用率低的情況。

在智能管理系統(tǒng)實(shí)際使用過程中，常常會(huì)由于數(shù)據(jù)規(guī)模過大對系統(tǒng)的部分性能造成影響。2018年4月1日教師使用三種系統(tǒng)對2017級應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)行教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容為透鏡組幾點(diǎn)測量實(shí)驗(yàn)。通過統(tǒng)計(jì)該教學(xué)過程中系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)情況，檢測系統(tǒng)性能，對比不同數(shù)據(jù)集大小情況下本文系統(tǒng)與另兩種系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。在圖6中，隨著數(shù)據(jù)集的增大，系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間逐漸升高，但本文系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間始終控制在1.5 s以下，當(dāng)數(shù)據(jù)集大小達(dá)到35 Kb時(shí)，本文系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間逐漸趨于平穩(wěn)，不再出現(xiàn)明顯變化;而另兩種系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間始終保持一個(gè)上升的狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)集規(guī)模為55 Kb時(shí)，RFID系統(tǒng)統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)接近7.5 s，說明系統(tǒng)在工作過程中反應(yīng)緩慢，這將給使用者帶來較差的使用體驗(yàn)。

數(shù)據(jù)規(guī)模的大小也會(huì)對系統(tǒng)的管理效率造成一定影響，圖7是本文系統(tǒng)與另兩種系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)集規(guī)模下系統(tǒng)管理效率情況。通過圖7可以看出，本文系統(tǒng)與數(shù)據(jù)集的大小呈現(xiàn)正比例關(guān)系，數(shù)據(jù)集越大本文系統(tǒng)的管理效率越高，當(dāng)數(shù)據(jù)集大小為45 Kb時(shí)，管理效率接近98%，而另兩種系統(tǒng)的管理效率與數(shù)據(jù)規(guī)模呈現(xiàn)反比例關(guān)系，數(shù)據(jù)集越大管理效率越低，當(dāng)數(shù)據(jù)集大小達(dá)到45 Kb時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的管理效率均低于30%，由此可以證明本文系統(tǒng)在對多媒體實(shí)驗(yàn)室實(shí)行智能管理時(shí)能夠保持較高的管理效率。

數(shù)據(jù)規(guī)模的大小也會(huì)對系統(tǒng)的安全性造成一定影響，圖8是不同大小數(shù)據(jù)集規(guī)模影響下系統(tǒng)安全性能對比。由圖8可知，隨著數(shù)據(jù)集規(guī)模逐漸變大，本文系統(tǒng)安全性逐漸升高，當(dāng)數(shù)據(jù)集規(guī)模達(dá)到30 Kb時(shí)本文系統(tǒng)的安全性進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，而另兩種系統(tǒng)雖然安全性波動(dòng)不大但是安全性較低，對比之下可以證明本文方法安全性較高，在多媒體實(shí)驗(yàn)室實(shí)際管理過程中負(fù)荷較小。

3 ?結(jié) ?語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，從教學(xué)、設(shè)備、安全防護(hù)和資源等多方面設(shè)計(jì)智能管理系統(tǒng)，對多媒體實(shí)驗(yàn)室實(shí)行管理，該系統(tǒng)加強(qiáng)了安全控制，并且使用以相似系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)的近距離搜索法降低系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)維度，為信息智能管理打下了良好基礎(chǔ)。該系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間短、管理效率和安全效率都高，具有良好的智能管理效果。

本文系統(tǒng)有效降低了人工管理成本，提高了多媒體實(shí)驗(yàn)室的利用率，為師生的教學(xué)與學(xué)習(xí)創(chuàng)造了便利條件，但是在實(shí)際使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)能耗較高和數(shù)據(jù)丟失的情況。在今后的研究中可以從無線節(jié)點(diǎn)能耗節(jié)約的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，將無線節(jié)點(diǎn)備用電源的問題考慮進(jìn)去，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。針對數(shù)據(jù)可能丟失的問題，可以從提高網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議穩(wěn)定性的角度出發(fā)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。軟件開發(fā)過程中嚴(yán)格審查代碼，構(gòu)建代碼時(shí)盡量簡潔，并且在代碼構(gòu)建完成后嚴(yán)格審查，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。

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