物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下的智慧實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)分析

朱振杰

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（山東大學(xué)） 山東 濟(jì)南 250061

引言

高校實(shí)驗(yàn)室日常應(yīng)用的過程中所需承載的教學(xué)任務(wù)較為繁重，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室所開展的教學(xué)活動(dòng)是高校組織學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的重要方式。在高校校園信息化建設(shè)持續(xù)深入的大背景下，高校實(shí)驗(yàn)室的信息化水平得到了顯著的提升與發(fā)展，智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實(shí)驗(yàn)室的功能需求分析

1.1 環(huán)境感知需求

在高校智慧實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作過程中，實(shí)驗(yàn)室操作的安全性與個(gè)性化控制的數(shù)據(jù)均來自系統(tǒng)收集到的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)，智慧實(shí)驗(yàn)室對(duì)于環(huán)境感知的具體需求主要包括普通物理感知、光照環(huán)境感知、氣體環(huán)境感知和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備感知等多種感知需求，此類的感知數(shù)據(jù)均由智慧實(shí)驗(yàn)室所安裝的傳感器來進(jìn)行感知與上傳，并通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部所配置的有線或是無線網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)層的傳輸。

1.2 視頻功能需求

在現(xiàn)階段高校智慧學(xué)習(xí)的應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員往往會(huì)在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝多個(gè)攝像頭來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室視頻數(shù)據(jù)的攝像頭采集，攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)則會(huì)通過專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街腔蹖?shí)驗(yàn)室的大數(shù)據(jù)模塊，管理人員則可通過大數(shù)據(jù)模塊的計(jì)算機(jī)或是手機(jī)終端來實(shí)時(shí)觀看和掌握每間智慧實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作情況，如師生的活動(dòng)情況和各項(xiàng)軟硬件設(shè)備的運(yùn)作情況等[1]。

1.3 智能控制需求

由于各個(gè)智慧實(shí)驗(yàn)室都安裝了氣體、煙氣、溫度和濕度等指標(biāo)的傳感器與控制器，因此控制系統(tǒng)需要通過傳感器和控制器來智能監(jiān)控與控制之后顯示中的各類物理指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)來綜合分析和操控實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)分析需求

在智慧實(shí)驗(yàn)室傳感器信息上傳和分析的過程中，管理員可充分利用傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)室各軟硬件的使用狀態(tài)與使用進(jìn)度，同時(shí)智慧傳感器平臺(tái)自身也可通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)狀況來判斷設(shè)備和系統(tǒng)是否存在異常，進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警與報(bào)修操作。

1.5 通信需求

智慧實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和手機(jī)終端都應(yīng)能夠通過智慧實(shí)驗(yàn)室的無線節(jié)點(diǎn)接入到平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，教師才可在此基礎(chǔ)上有序調(diào)動(dòng)學(xué)生間與師生間的無線通信與交互。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 感知層

智慧實(shí)驗(yàn)室的感知層是實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的主要來源，系統(tǒng)運(yùn)作的主要目的就是對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作過程中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的感知，因此相關(guān)操作人員必須全方位分析智慧實(shí)驗(yàn)室實(shí)體感知層的實(shí)際需求與最終信息的傳輸需求，合理選擇傳感器與控制器的類別與型號(hào)。

感知層主要分為數(shù)據(jù)感知節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)這兩部分，數(shù)據(jù)感知節(jié)點(diǎn)主要包含人臉識(shí)別、物理數(shù)據(jù)傳感和定位監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)信息的感知與采集，數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)接收這些是用戶層面或是軟硬件應(yīng)用層面?zhèn)鬏數(shù)南到y(tǒng)指令，可借助信息傳輸來完成插座供斷電、多媒體自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制和其他軟硬件的自動(dòng)控制操作。

除此之外，感知層所應(yīng)用的智能讀卡器和人臉識(shí)別系統(tǒng)能夠充分利用智能實(shí)驗(yàn)室的用戶信息來進(jìn)行用戶個(gè)體的考勤與操作管理，同時(shí)也能夠全方位記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況和學(xué)習(xí)情況。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

智慧實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)層主要是借助無線信號(hào)、有線網(wǎng)絡(luò)和WiFi等來為智慧實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部與外部的通信提供網(wǎng)絡(luò)支持，能夠有效保障感知層與數(shù)據(jù)層等各層間網(wǎng)絡(luò)通信的順暢性，同時(shí)也面向各智慧實(shí)驗(yàn)室用戶提供通信服務(wù)。

2.3 大數(shù)據(jù)層

智慧實(shí)驗(yàn)室的大數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)接收感知層傳輸至數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)，而后對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析挖掘和同構(gòu)化處理，并將數(shù)據(jù)操作與處理的結(jié)果傳輸至應(yīng)用層，并在此過程中將接收到的基礎(chǔ)設(shè)施異常情況進(jìn)行自動(dòng)化的分析與傳輸。

2.4 應(yīng)用層

智慧實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用層主要包括實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的集成與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，集成平臺(tái)主要將實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備、用戶與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行集成化處理，并在數(shù)據(jù)高度共享的基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)的正?；\(yùn)作閾值，同時(shí)在此基礎(chǔ)上生成實(shí)驗(yàn)室使用情況和學(xué)生學(xué)習(xí)情況的匯總表，能夠?yàn)橹腔蹖?shí)驗(yàn)室的個(gè)性化教學(xué)提供準(zhǔn)確支持。

2.5 用戶層

智慧實(shí)驗(yàn)室的用戶層主要通過計(jì)算機(jī)和手機(jī)終端等設(shè)備來進(jìn)行用戶操作的完成與傳輸，教師和學(xué)生能用戶都能夠通過用戶層來進(jìn)行軟硬件設(shè)備的預(yù)約和信息數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)智慧實(shí)驗(yàn)室的管理人員也能夠通過用戶層來查看和分析智慧實(shí)驗(yàn)室的管理與操作軟硬件狀態(tài)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

相關(guān)工作人員可結(jié)合智慧實(shí)驗(yàn)室Zig Bee協(xié)議的應(yīng)用實(shí)況來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌谙鄳?yīng)的位置設(shè)置感知節(jié)點(diǎn)、路由器和網(wǎng)關(guān)，同時(shí)在智慧實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境感知層設(shè)置各類物理數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在自動(dòng)控制層設(shè)置實(shí)驗(yàn)室軟硬件的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，同步應(yīng)用RFID技術(shù)來整合智慧實(shí)驗(yàn)室的固定資產(chǎn)與資源。

與此同時(shí)，還應(yīng)構(gòu)建與智慧實(shí)驗(yàn)室相對(duì)接的教學(xué)共享平臺(tái)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室傳輸?shù)挠芯€與無線信息來實(shí)時(shí)查詢與分析每個(gè)學(xué)生的參與學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而基于此來為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)狀態(tài)分析。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了海量數(shù)據(jù)采集與信息處理的智慧實(shí)驗(yàn)室技術(shù)思路，構(gòu)建了智慧實(shí)驗(yàn)室的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、大數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層這五層實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)，在智慧實(shí)驗(yàn)室操作系統(tǒng)的完善與建設(shè)方面具有良好的參考價(jià)值。