“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧實驗室的設(shè)計與建設(shè)

裴慧華，韋小鈴

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，建設(shè)科技強(qiáng)國成為我國教育界需重點研究的方向。人才作為發(fā)展科技、提高國家競爭力的重要基礎(chǔ)，對國家科技發(fā)展具有重要影響。因此，教育發(fā)展必須“以人為本”。2018年10月，教育部印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（以下簡稱“意見”）提出多項舉措來提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。其中，“推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”的舉措中指出，要重塑教育教學(xué)形態(tài)，打造智慧課堂、智慧實驗室、智慧校園，推動形成“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”新形態(tài)[1]。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，智慧實驗室建設(shè)是高等教育人才培養(yǎng)的訴求之一。基于此，本文圍繞智慧實驗室的構(gòu)成和需求，探索智慧實驗室的具體設(shè)計方案。

1 智慧實驗室的內(nèi)涵

關(guān)于智慧實驗室的概念，目前學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一的定義。有學(xué)者提出，智慧實驗室是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，依托新一代信息技術(shù)為廣大師生提供全面智能感知的實驗環(huán)境和綜合性信息服務(wù)平臺，以此實現(xiàn)智能化、安全化、可視化管理，實現(xiàn)資源共享，即智慧實驗室=實驗室+物聯(lián)網(wǎng)+智慧化設(shè)備[2]。智慧實驗室的建設(shè)，離不開物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等各類信息技術(shù)的支撐。

經(jīng)過探索，國內(nèi)部分高校在智慧實驗室建設(shè)方面已取得一定進(jìn)展，但智慧實驗室的設(shè)計多側(cè)重于某個領(lǐng)域本身，難以廣泛推廣應(yīng)用。本文探索通過綜合運用多項技術(shù)，升級實驗室硬件設(shè)備，打造智慧實驗室管理系統(tǒng)，提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的智慧實驗室設(shè)計

2.1 建設(shè)目標(biāo)

智慧實驗室建設(shè)的核心目標(biāo)是實現(xiàn)教育智慧化。教育智慧化即在滿足教育實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，利用互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)，構(gòu)建教師端和學(xué)生端管理系統(tǒng)，形成課堂教學(xué)的全景式評價體系以及資源共享、協(xié)同管理的服務(wù)體系，為師生提供新的教學(xué)途徑，也為實驗室管理提供技術(shù)支持[3]。

2.2 智慧實驗室整體架構(gòu)方案

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，智慧實驗室的搭建主要以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，由五大系統(tǒng)構(gòu)成，分別是感知系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)，其構(gòu)成原理如圖1所示[3]。首先，通過門禁、人臉識別、紅外感知及設(shè)備狀態(tài)感知等感知系統(tǒng)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器、有線網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)等，將物聯(lián)網(wǎng)感知的信息傳輸至計算機(jī)服務(wù)器。其次，與服務(wù)器相關(guān)聯(lián)的分別是信息處理系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)主要借助大數(shù)據(jù)、云計算等數(shù)據(jù)處理技術(shù)對收集到的信息進(jìn)行處理分析，而執(zhí)行系統(tǒng)主要將服務(wù)器發(fā)出的控制信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)傳遞給各類執(zhí)行設(shè)備，如門禁系統(tǒng)、排風(fēng)閥門系統(tǒng)等。最后，在上述系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合下，管理系統(tǒng)實現(xiàn)對人員、設(shè)備、樣品、環(huán)境等的信息化、智能化管理。

圖1 智慧實驗室構(gòu)成系統(tǒng)原理示意圖

2.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.3.1 智慧管理系統(tǒng)設(shè)計

智慧管理系統(tǒng)包括對人員、設(shè)備、樣品、系統(tǒng)等的管理。智慧實驗室的智慧管理系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以智慧中心云平臺軟件為核心，結(jié)合射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，對實驗室內(nèi)的設(shè)備、樣品貼上標(biāo)簽，并對標(biāo)簽進(jìn)行錄入。人員管理系統(tǒng)包括教師端和學(xué)生端兩部分。教師端部分包括設(shè)備狀態(tài)查詢、設(shè)備管理、門禁授權(quán)、課程安排、報警推動等多項功能，如圖2所示。其中，設(shè)備狀態(tài)查詢和控制能夠?qū)嶒炇覂?nèi)情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并及時解決實驗室出現(xiàn)的異常；門禁授權(quán)系統(tǒng)可以根據(jù)課程安排授予指定人員門禁權(quán)限，班牌管理主要是將云平臺的信息和必要的設(shè)備信息及學(xué)生信息推送給管理人員，方便進(jìn)行管理。

圖2 教師端功能結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 智慧監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

智慧監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、中繼器及控制器組成。如圖3所示，首先，由傳感器對其控制節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測，例如門磁傳感器可以監(jiān)測門的開關(guān)狀態(tài)，煙霧傳感器可以對實驗室內(nèi)的煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測，從而進(jìn)行火災(zāi)判斷。其次，傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，再由中繼器、路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?，最后由控制器發(fā)出指令。

圖3 智能監(jiān)控系統(tǒng)流程

2.3.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以MySQL作為后臺服務(wù)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)簡單，能夠同時支撐多個平臺使用，且部署較為簡單，執(zhí)行速度較快。智慧實驗室數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用Java應(yīng)用程序，通過JDBC驅(qū)動連接到數(shù)據(jù)庫，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲存與管理[5]。

3 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧實驗室的建設(shè)

3.1 服務(wù)器搭建

服務(wù)器是一種提供計算服務(wù)的設(shè)備，是一種高性能計算機(jī)設(shè)備。服務(wù)器能夠及時處理網(wǎng)絡(luò)其他計算機(jī)設(shè)備的服務(wù)請求，并滿足其需求[6]。在實驗室構(gòu)建服務(wù)器，建立網(wǎng)絡(luò)連接，有效實現(xiàn)PC端、手機(jī)端及移動終端的通信，能夠接收并管理來自各方發(fā)送的數(shù)據(jù)及命令，用戶也能通過賬號密碼快速登錄，適用于權(quán)限管理。智慧實驗室服務(wù)器的搭建基于.NET Framework平臺，依托C#語言進(jìn)行Socket網(wǎng)絡(luò)編程[7]。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，Socket通信多被用于數(shù)據(jù)傳輸中，及時將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。

3.2 PC客戶端架構(gòu)

PC客戶端不僅可以完成對實驗室的實時監(jiān)控，還可以與實驗室的考核系統(tǒng)以及MSDS系統(tǒng)創(chuàng)建連接，從而完成數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、歷史查詢、故障報警以及管理權(quán)限等功能[8]。如圖4所示，整個系統(tǒng)雖然包含內(nèi)容較多，但每個部分相對獨立，流程更清晰。

圖4 PC客戶端流程圖

3.3 移動端監(jiān)控軟件建設(shè)

雖然PC客戶端能夠較為準(zhǔn)確地完成對實驗室的監(jiān)控，但與移動終端相比，PC端不方便隨時攜帶。因此，移動端監(jiān)控軟件的建設(shè)能有效彌補(bǔ)PC端的不足，實現(xiàn)對實驗室的全面、及時監(jiān)控。

移動端監(jiān)控軟件開發(fā)可以通過Android Studio 2.3實現(xiàn)，利用智慧實驗室系統(tǒng)中的獨立服務(wù)器，建立移動端測控軟件與服務(wù)器的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸。在編程語言方面，選擇Java編程語言，實現(xiàn)移動端監(jiān)控軟件對實驗室各類傳感器數(shù)據(jù)的全時段獲取。

4 結(jié) 語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建智慧實驗室成為實驗室未來發(fā)展的必然趨勢。通過智慧實驗室信息化平臺，能夠有效節(jié)約人力資源，提高實驗室資源管理成效，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為科研人員提供良好的實驗環(huán)境。