基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的高校智慧實驗室關(guān)鍵技術(shù)

裴慧華

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為教育信息化發(fā)展提供了技術(shù)支持。在國家的大力支持下，基于人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)創(chuàng)新改革的要求，高校積極完善各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。針對實驗室的建設(shè)、管理，高校也在積極探索借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)創(chuàng)新實驗室建設(shè)，為人才培養(yǎng)和科學(xué)研究提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。深入分析高校智慧實驗室構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，能為高校實驗室建設(shè)及技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)及智慧實驗室概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是在互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，充分利用具備感知能力、信息傳輸能力以及計算能力的物理設(shè)備，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，將各自獨立的物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，進行信息通信，實現(xiàn)物與物、物與人之間相互感知、智能處理的智能信息網(wǎng)絡(luò)［1］。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為智慧實驗室的搭建提供了技術(shù)支持，大大促進了智慧實驗室的建設(shè)。當前，學(xué)術(shù)界對智慧實驗室尚未形成統(tǒng)一定義。本文所研究的智慧實驗室是指利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等技術(shù)，對實驗室進行全面智能監(jiān)控與管理，為高校師生提供實驗、科研、教學(xué)服務(wù)的場所。如圖1 所示，智慧實驗室的智能監(jiān)控與管理包括對設(shè)備的智能管理、對實驗室環(huán)境的智能監(jiān)測、對實驗室的遠程監(jiān)控管理以及對歷史實驗數(shù)據(jù)的資源獲取。由此，智慧實驗室能有效實現(xiàn)“設(shè)備管理自動化、環(huán)境監(jiān)測實時化、信息獲取信息化、實驗管理高效化”［2］。

圖1 智慧實驗室監(jiān)控與管理模型

2 智慧實驗室的系統(tǒng)架構(gòu)及功能分析

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)搭建的高校智慧實驗室主要由設(shè)備層、互聯(lián)層以及應(yīng)用層組成，如圖2 所示，高校智慧實驗室體系架構(gòu)自下至上分別是設(shè)備層、互聯(lián)網(wǎng)層以及應(yīng)用層。其中，設(shè)備層是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過大量的無線射頻識別裝置、傳感器設(shè)備等，對實驗室的環(huán)境、設(shè)備等各類數(shù)據(jù)信息進行采集，終端設(shè)備可以儲存數(shù)據(jù)、串行通信，能有效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對資源的智慧監(jiān)控?；ヂ?lián)網(wǎng)層作為智慧實驗室體系架構(gòu)的中間層，為智慧實驗室提供互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、WiFi 等不同的網(wǎng)絡(luò)連接形式，為信息傳輸提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，使物與物、物與人之間實現(xiàn)及時信息溝通，使移動手機、PC 端等設(shè)備能夠及時收到信息，進而實現(xiàn)智慧管理［3］。應(yīng)用層是高校智慧實驗室智慧管理和智慧監(jiān)控的具體體現(xiàn)，綜合通過設(shè)備層和互聯(lián)層，實現(xiàn)對實驗室的有效監(jiān)管，避免實驗室出現(xiàn)意外、危險等對人體和實驗室設(shè)備有害的事故?；谖锫?lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的高校智慧實驗室體系能滿足智慧實驗室的環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、遠程監(jiān)控及資源獲取功能。

圖2 高校智慧實驗室體系架構(gòu)

2.1 環(huán)境監(jiān)測

根據(jù)實驗室體系架構(gòu)，智慧實驗室的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由3 大部分構(gòu)成，分別是攝像機和傳感器部分、通信設(shè)備部分以及終端控制器部分。

首先是攝像頭和傳感器部分，攝像頭可以拍攝到實驗室的實時畫面信息，并將畫面?zhèn)鬟f至移動終端設(shè)備，由終端設(shè)備發(fā)出指令，對實驗室設(shè)備進行控制；實驗室傳感器則根據(jù)功能不同可以分為多類，如表1 所示，多種傳感器對實驗室內(nèi)的各類數(shù)據(jù)信息進行收集。其次，傳感器所收集到的信息通過服務(wù)器等通信設(shè)備傳輸?shù)浇K端控制器，終端設(shè)備對收集到的信息進行分析歸納，及時檢測出異常信息并向管理員推送。最后，管理員根據(jù)終端推送的信息，及時發(fā)送控制指令。

表1 傳感器節(jié)點及控制點

2.2 設(shè)備管理

智慧實驗室系統(tǒng)中的設(shè)備管理部分包括前期對設(shè)備和儀器的申購、登記、檔案管理，中期利用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)對設(shè)備實施實時監(jiān)控，遇到設(shè)備故障時能夠及時發(fā)出警報，后期在儀器設(shè)備報廢處置過程中實現(xiàn)最大化回收［4］。此外，設(shè)備管理還包括實驗室的預(yù)約使用、權(quán)限授予等管理工作。

2.3 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控部分與環(huán)境監(jiān)測和設(shè)備管理密不可分。遠程控制能夠通過攝像頭隨時查看實驗室內(nèi)的相關(guān)狀況，對設(shè)備進行控制、發(fā)出指令等。此外，智慧實驗室作為承擔高校實驗教學(xué)的重要場所，遠程監(jiān)控系統(tǒng)能幫助教師開展線上實驗活動。教師可以在遠程終端觀察學(xué)生的實驗過程，及時進行指導(dǎo)，實現(xiàn)遠程指導(dǎo)實驗以及實驗操作協(xié)同化［5］。

2.4 資源獲取

智慧實驗室的資源獲取包括資源信息化以及資源利用便捷化兩大部分。資源信息化是師生將一些傳統(tǒng)的紙質(zhì)報告、講義等實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息資源；便捷性是指使用者快速查詢到歷史實驗數(shù)據(jù)，達到實驗數(shù)據(jù)共享的效果，有助于提升實驗效果。

3 高校智慧實驗室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 傳感器技術(shù)

傳感器作為信息化技術(shù)的重要組成部分，通過對外界的感知，能夠有效讀取某些環(huán)境、設(shè)備的信息狀態(tài)。傳感器進行信號傳遞時，需要完成信號的轉(zhuǎn)換。如圖3 所示，傳感器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成［6］。其中，信號轉(zhuǎn)換的基本器件為敏感元件，主要完成模擬量到電信號的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換元件則是將測量得到的信號轉(zhuǎn)換為電量的基本器件，也是傳感器的核心元件。隨著新型傳感器的研發(fā)，傳感器應(yīng)用的范圍更加廣泛。高校智慧實驗室系統(tǒng)架構(gòu)以傳感器作為感知設(shè)備，綜合運用多種傳感器對實驗室環(huán)境進行實時監(jiān)控。例如，煙霧傳感器能時刻監(jiān)測室內(nèi)煙霧信號，及時發(fā)現(xiàn)存在的火災(zāi)隱患，并發(fā)出信號。

圖3 傳感器的基本構(gòu)成

3.2 RFID 技術(shù)

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，也稱為射頻識別技術(shù)，是起源于20 世紀90 年代的一項非接觸式自動識別技術(shù)［7］。通過無線射頻識別技術(shù)，無需接觸，即可識別目標對象，且精準度較高，掃描識別快捷。RFID 系統(tǒng)基本由電子標簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（Processor）三部分組成，它們之間主要采用無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。電子標簽多由天線、芯片以及底層組成，用于儲存實驗室設(shè)施、設(shè)備等資產(chǎn)的數(shù)據(jù)。每一個標簽都具有唯一的編碼，將其粘貼在設(shè)備上，通過電磁波實現(xiàn)與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換［8］。閱讀器是用來讀取電子標簽信息，對實驗室資產(chǎn)設(shè)備進行監(jiān)測與記錄的無線識別系統(tǒng)的底層設(shè)備。電子標簽包含的數(shù)據(jù)信息通過天線進入閱讀器射頻模塊，閱讀器再對其進行識別。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)對收集到的數(shù)據(jù)進行解調(diào)、解碼，再傳遞給計算機系統(tǒng)，通過可視化技術(shù)進行界面顯示。

3.3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)，即由互相連接的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的龐大網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使信息傳遞變得更便捷、更快速，是實現(xiàn)高校智慧實驗室智慧管理不可或缺的技術(shù)之一。隨著科技的進步，無線接入技術(shù)水平大大提升，助力局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)等無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。物聯(lián)網(wǎng)是對互聯(lián)網(wǎng)概念的延伸與應(yīng)用，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，實現(xiàn)人與人、人與機之間的信息傳遞。高校智慧實驗室控制終端設(shè)備須通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息的查詢。

3.4 嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)是助力計算機設(shè)備實現(xiàn)特定功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。嵌入式系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分。硬件部分主要包括微控制器、外部存儲以及鼠標、輸入設(shè)備等外部硬件設(shè)備。而軟件部分則是整個系統(tǒng)的核心要素，軟件可以下載到Flash、EPROM 以及ROM 等存儲體中，在系統(tǒng)軟件沒有被更改或添加功能的情況下，下載好的嵌入式軟件無須更改［9］。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣泛，實驗室工具、設(shè)備等，都離不開嵌入式系統(tǒng)的支撐。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的高校智慧實驗室能有效實現(xiàn)設(shè)備管理自動化、環(huán)境監(jiān)測實時化、信息獲取信息化以及實驗管理高效化。本文深入分析了智慧實驗室系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，有助于高校智慧實驗室的推廣應(yīng)用。