基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
——以電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室為例

楊紅，孟慶黨，雷印杰

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，具有物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化三要素（三化）的“智慧地球”逐漸成形[1-2]。在“智慧地球”的帶領(lǐng)下，各類城市或園區(qū)對(duì)“智慧城市”“智慧園區(qū)”“智慧校園”等一系列衍生概念進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的建設(shè)?，F(xiàn)代化進(jìn)程中高校的智慧化建設(shè)日趨熱烈，主要有四個(gè)目標(biāo)：感知數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)信息、分析轉(zhuǎn)化和智慧管理[3]。高校實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)、各類專業(yè)軟件仿真、虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)、儀器設(shè)備實(shí)踐教學(xué)、產(chǎn)品調(diào)試及測(cè)試等眾多教學(xué)或科研的任務(wù)，是非常重要的教學(xué)場(chǎng)所。

以前老舊的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室需要根據(jù)各類課程教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置不同屬性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，搭建不同的教學(xué)條件。如何擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室使用和管理上面臨的各類困境，提高現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的管理水平和利用率，同時(shí)與當(dāng)前“智慧校園”建設(shè)同步升級(jí)，打造綠色環(huán)保、智能舒適的現(xiàn)代智慧實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

四川大學(xué)電子信息學(xué)院的電子基礎(chǔ)智慧實(shí)驗(yàn)室以提供更好的實(shí)驗(yàn)、科研、教學(xué)服務(wù)為目的，整合了設(shè)備儀器、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了開放共享服務(wù)、統(tǒng)計(jì)分析等工作內(nèi)容，同時(shí)提高儀器設(shè)備使用率，可完成更規(guī)范的管理和服務(wù)。本文基于該實(shí)驗(yàn)室等建設(shè)思路，介紹物聯(lián)網(wǎng)智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及構(gòu)建。

一 智慧實(shí)驗(yàn)室功能描述

作為“智慧校園”建設(shè)重要組成部分之一的“智慧實(shí)驗(yàn)室”自然也要注重三化建設(shè)及四個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3]。因此，智慧實(shí)驗(yàn)室的概念及實(shí)現(xiàn)的功能可做如下定義：

1.物聯(lián)化：將隨時(shí)隨地可感知、可測(cè)量、可捕獲和可傳遞信息的傳感器等設(shè)備，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)完成鏈接[1]；通過智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)使各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和廣大教師更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念，同步更新學(xué)生的學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)激情，樹立理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作并重的理念。

2.互聯(lián)化：提供各類實(shí)驗(yàn)課程的過程化數(shù)據(jù)以供管理人員進(jìn)行管理優(yōu)化，并且統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供決策支持；提高學(xué)生理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐操作的能力，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力[2]。

3.智能化：通過各種通信網(wǎng)絡(luò)，利用大數(shù)據(jù)、資源共享等手段，實(shí)現(xiàn)智慧控制實(shí)驗(yàn)室光線、溫度、門鎖、虛擬桌面等環(huán)境參數(shù)，讓實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更具可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ煌ㄟ^相互協(xié)調(diào)的人才培養(yǎng)體系，為學(xué)生搭建一個(gè)可自主化、個(gè)性化學(xué)習(xí)、共享的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，這些優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境可進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自覺性。

在四川大學(xué)電子信息學(xué)院智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及管理功能設(shè)計(jì)中，設(shè)想建設(shè)的智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備如圖1所示的8大功能：智慧門禁、數(shù)字信息展示互動(dòng)屏、智能物聯(lián)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)整潔度分析、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)、24小時(shí)無人值守、智能管控。依據(jù)智慧校園的技術(shù)特性，同時(shí)基于智慧實(shí)驗(yàn)室的功能規(guī)劃，我院開展了電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的智能化改造工作，擬圍繞該實(shí)驗(yàn)室的物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化3個(gè)方向來進(jìn)行建設(shè)和實(shí)現(xiàn)，本論文以下內(nèi)容分別圍繞這三個(gè)方向進(jìn)行介紹。

圖1 建設(shè)的智慧實(shí)驗(yàn)室功能描述及示意圖

二 電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的物聯(lián)化建設(shè)

電子基礎(chǔ)智慧實(shí)驗(yàn)室有實(shí)驗(yàn)桌25張、一體機(jī)電腦25臺(tái)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備25套、吸頂空調(diào)2臺(tái)、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備一套、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一套，可容納約80名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備眾多且功能復(fù)雜，所以物聯(lián)化建設(shè)非常重要。智慧物聯(lián)的升級(jí)改造工作主要圍繞云端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)鏈接等方面展開。

（一） 云端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

云端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是使用云終端、云系統(tǒng)、云存儲(chǔ)等設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)有電腦終端科技將電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的硬件資源（監(jiān)控?cái)z像機(jī)、移動(dòng)或手持設(shè)備、電腦和多媒體終端、傳感器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等）虛擬化，比如將使用這些設(shè)備的系統(tǒng)都存于云端數(shù)據(jù)中心；該云端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也即將涉及人、財(cái)、物在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息，通過建設(shè)的物聯(lián)化平臺(tái)快速獲取及分析數(shù)據(jù)，以便于管理員或任課教師立即采取應(yīng)對(duì)措施和進(jìn)行中長(zhǎng)期規(guī)劃[4]。

還去大連？你是不是還想著付玉？我怕你再和付玉攪合在一塊兒，這個(gè)女人可不是個(gè)好東西，你讓她害的還不夠？可別鬼迷心竅。再說，你爹娘是在大連出的事，咱要去那兒，不是心里不舒服嗎？

（二） 物聯(lián)網(wǎng)鏈接建設(shè)

為了實(shí)現(xiàn)特定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，我院電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)鏈接建設(shè)初步實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的功能，主要是以下兩點(diǎn)：

圖2 智慧物聯(lián)建設(shè)中的各模塊圖

1.環(huán)境智能控制：通過溫濕度傳感器和空氣檢測(cè)儀自動(dòng)判斷空氣質(zhì)量，配合空調(diào)伴侶及智能管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能；音量傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室各角落的噪音情況；光線傳感器捕獲自然光強(qiáng)度，搭配智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)開啟與閉合，并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光的自動(dòng)補(bǔ)光調(diào)節(jié)。

2.應(yīng)用監(jiān)測(cè)：用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的攝像頭除了可以對(duì)環(huán)境、安全情況進(jìn)行監(jiān)控外，還可以對(duì)學(xué)生設(shè)備操作的規(guī)范性進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過智能開關(guān)面板配合智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)燈具遠(yuǎn)程開關(guān)，定時(shí)開關(guān)與一鍵開關(guān)；實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)設(shè)置為自習(xí)和上課兩種模式。

綜上所述，我院通過整合現(xiàn)有機(jī)房所有的IT技術(shù)及資源構(gòu)建的電子基礎(chǔ)智慧實(shí)驗(yàn)室具有如下優(yōu)勢(shì)：降低了硬件設(shè)備采購成本，并提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率；所有的教學(xué)資源都由“云端網(wǎng)絡(luò)”提供，在權(quán)限許可的情況下實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地隨意獲取資源，提供學(xué)生多方位的學(xué)習(xí)支持；還降低了終端系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)、日常管理維護(hù)的難度；其中物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)環(huán)節(jié)需要將大量基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備等建設(shè)完成后，再利用無線互聯(lián)技術(shù)，將各類傳感器（溫度、濕度、光度等）、制動(dòng)器（窗簾等）與控制器（遙控等）進(jìn)行無線連接；通過物聯(lián)化將大量傳感器獲得的信息和設(shè)備的使用、控制等工作實(shí)現(xiàn)集成化統(tǒng)一管理，用以收集和管理這類信息數(shù)據(jù)，然后將捕獲的數(shù)據(jù)等信息傳輸?shù)交ヂ?lián)化模塊進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、提煉與集成。

三 智慧實(shí)驗(yàn)室的互聯(lián)化建設(shè)

互聯(lián)化建設(shè)的主要職責(zé)是：利用無線網(wǎng)、電信網(wǎng)、藍(lán)牙、紅外等可互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)及各自優(yōu)勢(shì)，通過將傳感器（溫度、濕度等）、攝像頭（圖像等）、GPS（位置信息等）、個(gè)人電子設(shè)備（手機(jī)、電腦、平板等）等設(shè)備及信息連接起來進(jìn)行交互式通信，實(shí)現(xiàn)各類硬件設(shè)備之間的互聯(lián)互通、資源共享、人性化互助，從而獲取終端分析所需要的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理功能，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的建立。

我院建設(shè)的電子基礎(chǔ)智慧實(shí)驗(yàn)室，互聯(lián)化的數(shù)據(jù)主要從實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)和捕獲物聯(lián)模塊中獲得[5]。最終，這些有用數(shù)據(jù)都會(huì)按照某種約定好的協(xié)議或是web服務(wù)等方式送入到互聯(lián)層，匯總到各類數(shù)據(jù)中心[6]。然而，這些數(shù)據(jù)的來源各不相同，數(shù)據(jù)格式也不一致，這給數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理帶來非常大的困難。

所以，在本實(shí)驗(yàn)室的智能化改造過程中，需要提前給這些數(shù)據(jù)的互聯(lián)規(guī)定如何進(jìn)行分析、整理的方案：首先將收集好的數(shù)據(jù)映射到所關(guān)注的各類大/中/小型事件中，構(gòu)成基于處理模塊系統(tǒng)的事件處理服務(wù)塊；然后將這些有用數(shù)據(jù)逐一融合到存在于某個(gè)學(xué)校部處、學(xué)院某個(gè)科室規(guī)定的其他相關(guān)事件服務(wù)塊；接下來進(jìn)一步篩選及過濾掉原始數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的建模、識(shí)別及關(guān)聯(lián)，如此便獲得了豐富的數(shù)據(jù)來源；最后可進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，利用監(jiān)控業(yè)務(wù)流程進(jìn)行信息的優(yōu)化，為實(shí)驗(yàn)室管理員以及其他相關(guān)人員（學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、任課教師、上課學(xué)生、自習(xí)學(xué)生等）提供更精準(zhǔn)的信息。具體的方案流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)互聯(lián)化的分析整理方案圖

若物聯(lián)化是將所有設(shè)備、儀器等連接起來構(gòu)成了一個(gè)初期的小型物聯(lián)網(wǎng)，那么互聯(lián)化構(gòu)建了這些設(shè)備信息、數(shù)據(jù)互通，資源共享的一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)。從上面的分析可以獲得互聯(lián)化的貢獻(xiàn)是：將來自于物聯(lián)化終端設(shè)備和管理系統(tǒng)軟件等模塊各方面的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與系統(tǒng)事件（大/中/小型事件）相關(guān)的信息，經(jīng)過對(duì)應(yīng)各自領(lǐng)域管理系統(tǒng)的處理后，再將這些有用信息或數(shù)據(jù)發(fā)送給智能化平臺(tái)、設(shè)備、終端，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析、監(jiān)控和管理[3]。

四 智慧實(shí)驗(yàn)室的智能化建設(shè)

隨著各類應(yīng)用程序和專業(yè)軟件的發(fā)展，促使數(shù)據(jù)分析處理和可視化信息應(yīng)用的范圍擴(kuò)大，使得智慧實(shí)驗(yàn)室的智能化建設(shè)可更好地利用互聯(lián)化終端設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)或信息。在智能化建設(shè)過程中可以通過應(yīng)用分析、收集其他相關(guān)數(shù)據(jù)來執(zhí)行結(jié)果預(yù)測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是：提高風(fēng)險(xiǎn)洞察力、優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)管理、完善場(chǎng)景建模，并獲得決策過程優(yōu)化及更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)果[7-8]。

此外，數(shù)學(xué)工具和統(tǒng)計(jì)算法可以對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的集成，從而拓展智能化建設(shè)的應(yīng)用范疇。我院通過可用數(shù)據(jù)對(duì)各部處通知的事件進(jìn)行深入的關(guān)注和洞察，建設(shè)了如下三個(gè)功能的智能化管理應(yīng)用模塊，如圖4所示，其中各模塊的詳細(xì)描述如下：

圖4 智慧實(shí)驗(yàn)室的智能化建設(shè)模塊圖

1.人員監(jiān)測(cè)和開放共享：首先對(duì)維護(hù)人員進(jìn)出設(shè)備間進(jìn)行授權(quán)；再通過門禁系統(tǒng)或視頻攝像頭對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員的狀況、密度、靈敏度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（若有人員出現(xiàn)高度密集、扭打或者在非正常時(shí)間段進(jìn)出設(shè)備間等情況，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)通知后臺(tái)管理員，同時(shí)記錄非正常人員的進(jìn)出、惡劣程度等情況），從而保證實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境、人員的安全；該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過班牌來顯示空閑工位或桌位信息，以方便教師或?qū)W生進(jìn)行集體或者個(gè)人的預(yù)約使用，提高實(shí)驗(yàn)室的利用率和共享率。

2.電力監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制：對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的220V電源、強(qiáng)弱電配電箱、UPS電源、防雷電系統(tǒng)等電力、動(dòng)力設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程集中管理和監(jiān)測(cè)，充分保障實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時(shí)對(duì)照明亮度、空調(diào)控制、電源安全管理、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)調(diào)、大型儀器設(shè)備使用等硬件的使用全過程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，確保學(xué)校財(cái)物的安全。

3.環(huán)境監(jiān)測(cè)：通過室內(nèi)桌面定位攝像頭及光線傳感器，可自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室中各桌面上對(duì)應(yīng)照明燈的亮度、色調(diào)、柔度及計(jì)算機(jī)屏幕的亮度，并可根據(jù)室外光照強(qiáng)度對(duì)窗簾開啟程度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行調(diào)整；通過監(jiān)控設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員密度、濕度、溫度及二氧化碳濃度等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而設(shè)置通風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)情況和空調(diào)溫度等。

我院電子基礎(chǔ)智慧實(shí)驗(yàn)室的智能化建設(shè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、使用人員、應(yīng)用設(shè)備、外圍環(huán)境與安全的綜合管理，而且可對(duì)設(shè)備維修、借用和共享、使用申請(qǐng)、收費(fèi)管理、授權(quán)管理等常規(guī)業(yè)務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的輔助管理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的流暢使用。

五 結(jié)語

智慧實(shí)驗(yàn)室通過物聯(lián)網(wǎng)、云端物聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)有前沿技術(shù)，通過物聯(lián)感知、智能化等多維建設(shè)模式，將高校實(shí)驗(yàn)室中的硬件設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、軟件數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)環(huán)境和科研設(shè)備等鏈接起來，達(dá)到無人管理和智能監(jiān)控，從而保障已建成智慧實(shí)驗(yàn)室的安全管理，營造一個(gè)舒適的、智能的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。此外，智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)還可以減輕實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提高各位任課教師的工作效率和上課水平，同時(shí)還為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)評(píng)估及教學(xué)質(zhì)量監(jiān)管等各項(xiàng)重要工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和重要數(shù)據(jù)分析；通過收集學(xué)校的相關(guān)信息，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室使用，將數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)—智慧四者之間的轉(zhuǎn)化流程，為學(xué)院做出正確的決策提供技術(shù)支撐。在不久的將來，以信息技術(shù)應(yīng)用為主力軍的智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)勢(shì)必加快整個(gè)校園智慧化的進(jìn)程。