基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)室云平臺

李智超

（南京郵電大學(xué) 江蘇省南京市 210023）

1 技術(shù)背景

物聯(lián)網(wǎng)(Internet ofThings, loT)指的是通過各類傳感技術(shù)將物理世界的信息傳感設(shè)備按約定的協(xié)議連接在一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。云平臺也稱為云計(jì)算平臺，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)室云平臺，主要依托物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，通過對實(shí)驗(yàn)室中的 “人、機(jī)、料、法、環(huán)”等核心要素進(jìn)行全面感知、預(yù)測分析、自主決策和優(yōu)化執(zhí)行，從而形成的互聯(lián)協(xié)同、信息共享、安全監(jiān)測及智能決策的信息化系統(tǒng)平臺。

2 實(shí)驗(yàn)室管理的痛點(diǎn)

2.1 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能化

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備繁多，運(yùn)維管理這些功能種類多樣的不同設(shè)備越來越麻煩，需要建設(shè)一套智能化管理平臺，實(shí)現(xiàn)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的統(tǒng)一管理，綜合管控，把設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)整合，全面提升信息化管理能力，節(jié)約管理管理成本，降低了誤操作設(shè)備的概率。

2.2 集中管理信息發(fā)布及通知通告

在實(shí)驗(yàn)室智能化管理的過程中，各種設(shè)備故障通知，各種業(yè)務(wù)流程代辦的通知，都需要有效地發(fā)送到對應(yīng)人員，以便及時處理。這就對集中管理通知公告，實(shí)時的信息發(fā)布有著迫切需求。

另外，可通過移動端功能，推送與展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的通知通告，環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2.3 實(shí)現(xiàn)3D動態(tài)模型管理信息化

實(shí)驗(yàn)室管理從傳統(tǒng)服務(wù)向信息化服務(wù)轉(zhuǎn)化，從靜態(tài)的表格圖片向動態(tài)的3D 模型操作應(yīng)用轉(zhuǎn)化，因此，需要基于目前的BIM 建筑模型，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室場地的3D 動態(tài)模型處理，通過前端的3D模型操作，來提高使用效率和提高服務(wù)的質(zhì)量及速度。

3 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)一套擁有國內(nèi)一流水準(zhǔn)的智慧實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能化，運(yùn)維規(guī)范化，管理一體化標(biāo)準(zhǔn)。

依托于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G 通信、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM三維信息模型等前沿科技與技術(shù)，利用實(shí)驗(yàn)室場地、人、機(jī)、網(wǎng)、物等關(guān)聯(lián)系統(tǒng)普適互聯(lián)的特點(diǎn)，時間上貫穿實(shí)驗(yàn)室設(shè)備全生命周期，空間上覆蓋實(shí)驗(yàn)室各種場景以及傳感器，完成對實(shí)驗(yàn)室人、機(jī)、料、法、環(huán)的智能動態(tài)監(jiān)控與閉環(huán)管理，形成互聯(lián)協(xié)同、信息共享、安全監(jiān)測及智能運(yùn)維與決策平臺，構(gòu)建一個功能完善、系統(tǒng)先進(jìn)、安全穩(wěn)定、拓展性強(qiáng)的信息化平臺系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

4.1.1 先進(jìn)性/整合性

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多租戶的云平臺設(shè)計(jì)技術(shù)，全面整合人、機(jī)、料、法、環(huán)的完整信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理體系。

4.1.2 強(qiáng)壯、穩(wěn)定、可擴(kuò)充

采用分布式部署模式設(shè)計(jì)，微服務(wù)架構(gòu)，前后端分離，整體規(guī)劃、結(jié)構(gòu)化分解協(xié)調(diào)、綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。充分保證系統(tǒng)的強(qiáng)壯、穩(wěn)定與可擴(kuò)充性。

4.1.3 安全性原則

系統(tǒng)需充分考慮網(wǎng)絡(luò)的安全以及數(shù)據(jù)的安全。在用戶使用過程中，定義了嚴(yán)格權(quán)限管理體系，并且實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)訪問記錄、用戶登錄記錄、配置變更記錄等，充分保證系統(tǒng)的應(yīng)用安全與數(shù)據(jù)安全。

4.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，微服務(wù)架構(gòu)，支持Docker 容器發(fā)布，移動端支持IOS 和Android 的發(fā)布終端，適用性高。

系統(tǒng)底層為設(shè)備終端，通過自主研發(fā)設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)基本的邊緣計(jì)算功能，將各種設(shè)備，各種協(xié)議的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理成標(biāo)準(zhǔn)的，安全的輸出，送至云服務(wù)平臺的設(shè)備總線。

系統(tǒng)通過設(shè)備總線獲取各種設(shè)備終端數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入設(shè)備數(shù)據(jù)湖，進(jìn)一步經(jīng)過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺模塊的加工處理，供各種云平臺的應(yīng)用模塊使用。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可采用5G 模塊技術(shù)，大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约胺€(wěn)定性。

系統(tǒng)云平臺應(yīng)用模塊總體來說分為三大類：

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境管理系統(tǒng)（LEMS）

實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理系統(tǒng)（LOMS）

總體架構(gòu)圖如圖1。

圖1

5 平臺主要功能

5.1 基礎(chǔ)信息管理

實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息管理；實(shí)驗(yàn)室分類屬性管理、設(shè)備分類屬性管理、物品分類管理，設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、人員基礎(chǔ)信息管理、部門與組織架構(gòu)管理、人員分組信息管理、角色權(quán)限管理。

5.2 人員信息管理

系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)室人員信息管理，包括人員所在的部門，崗位，權(quán)限等信息，提供人員部門歸屬/崗位承擔(dān)/解除及對應(yīng)崗位權(quán)限繼承/解除管理。

5.3 設(shè)備信息管理

對設(shè)備的更新、添加、借用等實(shí)時更新登記。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障、非允許范圍內(nèi)移動等情況是，立即聯(lián)動報(bào)警。

5.4 用戶權(quán)限管理

平臺基于角色的用戶權(quán)限管理，可設(shè)置系統(tǒng)功能應(yīng)用的權(quán)限，也可以設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)限。

5.5 物聯(lián)數(shù)據(jù)共享

系統(tǒng)基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)，為系統(tǒng)的多平臺支持、功能擴(kuò)展、向下向上集成對接、模塊嵌入、數(shù)據(jù)遷移、定制開發(fā)等提供成熟、安全、高效的解決方案。

系統(tǒng)采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)及其所屬各功能模塊均可按需選配、靈活構(gòu)建。系統(tǒng)向上提供完備、友好、開放的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、事件接口，可與用戶各類上層或平級應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)動整合。

支持依據(jù)客戶需求，定制化開發(fā)軟件功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的共享。支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、查詢、下載，滿足同平臺內(nèi)數(shù)據(jù)的共享。

5.6 實(shí)驗(yàn)室模型3D可視化處理

BIM 輕量化引擎，可方便地在主流瀏覽器上進(jìn)行瀏覽和交互，同時支持PC 和移動設(shè)備。

主要實(shí)現(xiàn)功能：

I.自定義監(jiān)測位置：提供組件型實(shí)體監(jiān)測功能，將模型自定義監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成出的各個實(shí)體和實(shí)時數(shù)據(jù)組合在一起，生成能夠在仿真環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)測平臺，為監(jiān)控、監(jiān)測提供數(shù)據(jù)源。

II.系統(tǒng)設(shè)置：能夠?qū)⒂脩舻膶?shí)際環(huán)境相結(jié)合自定義設(shè)置系統(tǒng)。

III.列表式監(jiān)測數(shù)據(jù)：提供列表式的數(shù)據(jù)可進(jìn)行各種數(shù)據(jù)修改與綁定，更快捷方便的對應(yīng)三維場景中的各個對應(yīng)點(diǎn)號。

IV.360°全景展示：支持全景旋轉(zhuǎn)、縮放各角度查看場景內(nèi)容。

V.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 能夠?qū)Y(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，對重要的仿真實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取、統(tǒng)計(jì)，支持在線統(tǒng)計(jì)分析，最終以圖表方式直觀的展示出來，為在線和事后分析、回放提供支撐。

5.7 運(yùn)維管理模塊

為了緊跟大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展趨勢 ，本項(xiàng)目擬對實(shí)驗(yàn)室整體進(jìn)行智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理及運(yùn)維。通過電子化巡檢、大數(shù)據(jù)平臺和豐富的報(bào)表支撐，提升對相關(guān)人員管理水平，助力管理人員決策和政策制定，并將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、實(shí)時分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理全程閉環(huán)。

運(yùn)維管理實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過平臺提供的能力將所常用的運(yùn)維操作及數(shù)據(jù)，都整合在智慧實(shí)驗(yàn)室云運(yùn)維平臺中，將管理及運(yùn)維流程盡量的簡化，實(shí)現(xiàn)自助化運(yùn)維。

（2）本項(xiàng)目云運(yùn)維平臺實(shí)現(xiàn)自動化管理，減少手動操作，實(shí)現(xiàn)自動的數(shù)據(jù)收集、自動應(yīng)用安裝、自動配置和更新、自動數(shù)據(jù)分析、自動擴(kuò)展、自動備份恢復(fù)等。

（3）多維可視化，以角色重定義運(yùn)維管理。如網(wǎng)絡(luò)管理視圖，系統(tǒng)管理視圖、監(jiān)控視圖、報(bào)表視圖等。統(tǒng)一報(bào)表系統(tǒng)，統(tǒng)一全局?jǐn)?shù)據(jù)并提供可自定義多維報(bào)表。

運(yùn)維管理模塊主要有以下功能：

I.自動巡檢：根據(jù)環(huán)境監(jiān)控的數(shù)據(jù)，智能判斷設(shè)備問題，自動收集并產(chǎn)生工單。并自動觸發(fā)工單流程。

II.故障報(bào)修：系統(tǒng)提供手工故障報(bào)修功能，錄入保修內(nèi)容信息后，自動生成工單，可直接指派給維修人員。

III.運(yùn)維工單管理：系統(tǒng)提供手工工單錄入，錄入工單信息后，可直接指派改工單的執(zhí)行人。系統(tǒng)提供我的代辦工單以及已辦工單查詢。代辦工單列表中，可以直接點(diǎn)擊進(jìn)行工單處理。

IV.運(yùn)維流程自定義：提供對工單流程模版進(jìn)行新增/修改/刪除節(jié)點(diǎn)，做到流程格式化、模板化、無代碼可配置化。

V.運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化：云運(yùn)維平臺在數(shù)據(jù)可視化方面，通過采集器采集信息，通過同步器同步其它平臺信息，存儲在核心數(shù)據(jù)庫，通過閾值庫產(chǎn)生進(jìn)行對比告警，通過分析函數(shù)庫進(jìn)行性能分析，并產(chǎn)生運(yùn)維需要的報(bào)表進(jìn)行可視化管理。

5.8 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，編輯成組態(tài)畫面，最終在觸摸屏上顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控。同時具有微信報(bào)警、釘釘報(bào)警、郵件報(bào)警功能；還可以轉(zhuǎn)發(fā)為BACnet 服務(wù)器、Modbus 服務(wù)器、OPC UA 服務(wù)器、MQTT 服務(wù)器，開放HTTP WEB 服務(wù)被第三方的系統(tǒng)集成。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

智能管理，支持PC、手機(jī)端、iPad 等監(jiān)控，操作性強(qiáng)；

支持200 多種協(xié)議采集并轉(zhuǎn)為BACnet 服務(wù)器、Modbus 服務(wù)器、OPC UA 服務(wù)器、MQTT 服務(wù)器；

支持JS 腳本，實(shí)現(xiàn)邏輯控制；

支持COV 訂閱功能；

支持BBMD 跨網(wǎng)關(guān)訪問；

支持歷史存儲；

支持線性轉(zhuǎn)換，取位，高低字節(jié)轉(zhuǎn)換；

支持內(nèi)部變量功能，支持查看設(shè)備離在線狀態(tài)；

支持設(shè)定多個用戶協(xié)助管理設(shè)備，多重保障；

支持局域網(wǎng)，輕松實(shí)現(xiàn)對觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

支持定時的事件觸發(fā)，可通過自定義函數(shù)功能來進(jìn)行配置；

支持微信、郵件、釘釘?shù)确绞桨l(fā)送報(bào)警信息；

支持云服務(wù)，與云端平臺對接，將傳感器的數(shù)據(jù)上傳到云端平臺。

6 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)前5G 建設(shè)的推動下，必將迎來飛速的發(fā)展。將最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)室管理與運(yùn)維過程當(dāng)中，可以準(zhǔn)確且全面的分析實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等，提供新型服務(wù)，推動實(shí)驗(yàn)室管理向著智慧化的方向不斷進(jìn)步?；诖?本文概述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了5G 時代背景下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用，期望經(jīng)過本研究為未來的有關(guān)研究提供相應(yīng)的參考。