基于物联网的智慧实验室设计

车辚辚，孔英会，赵建立，程文清

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

物联网的发展，打破了人们传统的思维方式，给人类生活带来巨大的变革[1－2]。从核心构成来说，物联网由云计算的分布式中央处理单元、传输网络和感应识别末梢组成[3－4]。未来的物联网就像人体那样，不同的感应识别末梢完成不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的控制系统[5－6]。随着信息技术和物联网的发展和普及，物联网涉及到各类产业和人们生活的方方面面，将大大提升互联和智能方面的特性，使实现智慧地球的梦想成为可能[7－9]。

本文提出一个基于物联网的智慧实验室设计方案，并在华北电力大学现代无线通信实验室的改建项目中予以实现。智慧实验室项目的建设，旨在提高实验信息服务质量的同时，将RFID技术、无线传感器网络、ZigBee技术等物联网技术应用于实验室中，构建一个开放、共通的通信实验室平台。该平台在全面采集和深度分析实验数据的基础上，提供互动、共享、协作的应用和服务，充分满足教师、学生和实验管理人员等不同用户的需求，实现教育信息资源的充分利用[10－11]。

1 总体设计

为了充分体现各种网络在传输中的功能，使学生全面了解现代无线网络技术，智慧实验室体系设计需要考虑以下几个方面的需求：

（1）通过无线组网实现建筑物内部各层之间，同层各个房间之间数据的传输，构成实验室体系的传输网络；

（2）能够体现不同的无线组网技术；

（3）能够采集多种环境参数，从而全面监测实验室环境，确保实验室安全；

（4）实验者和实验设备能够“物物互联”、“物人互联”、“人人互联”；

（5）易于进行网络部署、组网和扩展，仅需较少人工干预和配置，即可较快地组建网络并开始正常工作。

根据上述功能需求，设计的基于物联网的智慧实验室体系结构如图1所示。智慧实验室体系主要由平台子系统、中心服务器和客户端3部分构成。平台子系统利用温湿度、光照、气体、烟雾、图像等多种传感器件和射频识别设备，全面感知环境和设备信息，然后利用RJ45接口，通过公共通信网络（包括无线通信网络和以太网），把感知的信息传输到物联网实验平台的中心服务器并且保存到数据库中，再利用平台对收集到的信息进行分析和处理，最后客户端可利用不同的终端进行访问和控制[12]。

图1 智慧实验室体系框架

2 功能框架

智慧实验室由5个功能系统和1个物联网综合体验中心平台组成。5个功能系统分别是：（1）基于无线ZigBee传感器的智能家居系统；（2）实验箱管理系统；（3）基于RFID技术的设备管理系统；（4）基于无线Mesh网络的视频监控系统；（5）基于电力线通信的智能用电管理系统。这5个功能系统通过物联网综合体验中心平台进行Web发布，其平台的访问页面如图2所示。

图2 物联网实验中心平台的访问页面

各个系统完成的主要功能如下：

（1）智能家居系统。通过控制台和移动智能终端可以操控灯光、窗帘、空调等家居设备，并且可以实时监测、存储和管理温湿度和烟雾参数。通过无线传感器可对特定区域的温湿度、光照参数进行检测，对可控的终端进行策略操作。例如检测到室内温度到达某一设定值时可以自动开启空调；对烟雾变化进行检测；对有可能发生的危害进行预警。

（2）实验箱管理系统。通过无线网络实现每个实验箱与服务器端的通信。在实验过程中，教师可以在服务器端的界面观察到每个学生的实验进程，更好地掌握学生的实验进度，有助于教师及时发现和解决问题。实验箱可以对做实验的学生进行电子签到，达到实验室无纸化管理的目的。

（3）RFID设备管理系统。该系统主要完成实验室内设备的管理功能，具体描述如下：

仪器设备库：实验仪器设备的购买入库，对于仪器查询和准确定位起到一定作用；

仪器借用管理：通过管理平台，教师可以将空闲仪器设备借出使用；

仪器维修记录：记录仪器设备的维修、报废情况；

操作记录查询：仪器的使用信息记录和查询；

智能围栏：在贵重设备上加装带有传感功能的定位标签，除可以实时定位外，一旦设备离开特定区域就会触发报警。

（4）智能用电管理系统。通过遥测和遥控可以合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能，并且通过终端软件可以实现对电表的电流、电压、功率及通信状态的实时采集和监控，可实现对信息采集丢包率的分析，还可对超过预定设置的相关参数值进行报警。

（5）视频监控系统。利用无线Mesh网络产品组成无线数据传输网，在多个重要地点进行视频监控。对特定区域的入侵、物品遗留、人体行为、物品丢失、实验室人群密度等进行检测。

（6）物联网综合体验中心平台。对智能家居、实验箱管理、RFID设备管理、智能用电管理、视频监控系统进行集成互联，并通过一个中心软件显示并控制各个系统。也可通过互联网进行远程监视与控制，实现互动。系统可以利用单点、多点、局域网和广域网为传输方式，进行无线和有线传输，以获得全面综合的体验。

3 技术方法

智慧实验室系统利用有线和无线相结合的网络框架构建，能够快速部署安装，通过可视化物联网综合体验中心平台可以实现前述5个功能系统。不同管理模块的网络拓扑结构如图3所示，其主要由部署在实验室的无线传感器基础网络、部署在不同楼层的无线Mesh网络以及实验室监控与管理中心3部分体系结构组成。

图3 智慧实验室网络拓扑图

3.1 基于无线ZigBee传感器的智能家居系统

智能家居系统由环境感知层、信息网络层和信息处理应用层组成，可以实现系统内各种设备的信息读取与控制。

环境感知层由温湿度、光敏、烟雾等传感器及电视、电灯、窗帘等开关控制器件构建而成；信息网络层采用无线技术和有线技术进行搭建；信息处理层用来控制中心系统连接电视机、空调、窗帘、台灯等，通过感知层采集到数据，结合自定义的策略，运算得出结果，执行相应的动作。

各个终端节点采集到数据后，通过ZigBee协议发送给数据采集协调器，协调器通过有线与交换机相连并将信号送往 Web服务器，最终可通过Internet、GPRS等网络进行远程控制。系统路径均可以实现双向通信。

3.2 基于RFID技术的设备管理系统

运用先进的RFID技术，对固定资产管理模式进行优化与整合。实验室门口安装防盗读写器，只要有设备被移出实验室，系统就会立刻报警。每个房间的设备资产都有统一的编号，方便对资产的转移情况进行管理。

3.3 基于电力线通信的智能用电管理系统

智能用电管理系统依托校园网、电力线载波组网，硬件主要包括监控终端、采集器、智能电表、通信模块、计算机等，软件包括前置机软件和测试客户端软件。智能电表之间利用电力载波通信，使用DL645-2007规约通信。

3.4 视频监控系统以及实验箱管理系统

用Strix Mesh产品的无线模块（WLAN＋Mesh）搭建视频监控系统和实验箱管理系统，可以完成视频信号在建筑物内部各楼层之间、同楼层各个房间之间的数据无障碍流畅传输。这是由于Mesh设备具有以下特点：

（1）低功耗、可靠性高、传输速率高；

（2）室内设备体积小，容易布网；

（3）网络配置和维护简便快捷；

（4）自组织，自愈合，可升级的多跳网络；

（5）能够实现数据自动转发和管理；

（6）可与其他平台设备互联互通。

视频采集终端和实验箱通过无线网卡发送其采集到的实时信息，这些信息由Mesh节点收集到数据然后传送到Mesh协调节点，由协调节点通过以太网传送给交换机，然后连接到服务器上显示采集内容。该网络可以自动选择带宽最好的节点进行自动组网。

4 结束语

为了使学生全面了解各种网络协议在物联网技术中的传输功能，智慧实验室系统采用RFID技术进行信息采集、采用ZigBee技术进行短距离布网、采用Mesh技术进行长距离无线网络传输。该系统依托华北电力大学现代无线通信实验室改建项目，已经建成了一个基于物联网技术、开放共通的智慧实验室平台。

（References）

[1]吴健.智能化的未来：从 M2M 到物联网[J].中国电信业，2010（1）：54.

[2]王鹏.云计算的关键技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]陈锐.物联网：后IP时代国家创新发展的重大战略机遇[J].中国科学院院刊，2010（1）：41-49.

[4]王永华，杨健.基于WLAN的实验室设备可视化管理系统设计[J].实验技术与管理，2011，28（4）：101-103.

[5]Amardeo C，Sarma J G.Identities in the Future Internet of Things[J].wireless Pers Commun，2009（49）：353-363.

[6]江雪梅，刘泉，张小梅.3G移动通信系统与物联网创新实验平台建设[J].实验技术与管理，2012，29（5）：133-135.

[7]Evan W，Leilani B，Garret C，et a1.Building the internet of things using RFID：The RFID ecosystem experience[J].IEEE Internet Computing，2009，13（3）：48-50.

[8]黄峥，古鹏.物联网实验室建设研究与探讨[J].实验技术与管理，2012，29（2）：191-195.

[9]朱勇，张昕明，王宁.基于射频识别技术的物联网专业综合实验研究[J].实验技术与管理，2012，29（6）：17-19.

[10]赖燕玲.加强实验室建设与管理，提高学科建设水平[J].实验技术与管理，2012，29（6）：27-30.

[11]孔英会，戚银城，项洪印，等.通信工程专业核心课程体系建设的研究与实践[J].中国电力教育：下，2012（6）：68-69.

[12]Yinghui K，Zhixiong C，Jianli Z.Experiment Platform Construction of Internet of Things for Training Ability of Engineering Practice[C]／／20122nd Teaching Seminars on Higher Education Science and Engineering Courses.Taian，2012.