基于物联网技术的智慧实验室架构研究

周春月， 闫子淇

（北京交通大学电子信息工程学院，通信与信息系统北京市重点实验室，北京 100044）

基于物联网技术的智慧实验室架构研究

周春月， 闫子淇

（北京交通大学电子信息工程学院，通信与信息系统北京市重点实验室，北京 100044）

为使高校实验室适应于不断变革发展的环境，满足实验教学、管理、服务的开放性和协同化需求，实现“引领创新、培养人才”的教学目标，探讨了物联网技术在高校实验室管理中的应用模式和内容，提出了“智慧实验室”系统的设计思想，即利用互联网技术、物联网技术及嵌入式技术来构建一个虚实结合、软硬兼顾、内外相联的实验室信息系统，实现实验资源管理信息化、管理教学高效化、实验室服务网络化的三位一体设计目标。基于“智慧实验室”的概念，提出了系统的三级体系架构模型，并对模型中各层功能结构的设计方案进行详细讨论。

物联网;智慧实验室;智慧服务

0 引言

高校实验室承担着培养学生自主性和研究性学习能力、创新意识、工程素质、创新能力等重要任务。近年来，在高校校园信息化建设的大力推动下，实验室的信息化程度得到显著提高。但同时，单一的信息系统管理模式仍无法完全满足教学、科研等活动日益增长的需要。未来的高校实验室需要依托数字化校园环境，充分利用先进的感知、协同、控制等前沿技术，优化实验资源配置，为实验室管理、教学、环境提供资源高度可控、统一协调的智慧化服务。物联网是近年来发展迅猛的技术领域之一，其相关技术能为实现实验室智慧化提供强有力的支撑。

1 智慧实验室概念及背景

1.1 高校科研实验室信息化现状

目前，我国高校的实验室大多归口实验室设备处或211工程建设办公室统一管理，从设备的招标采购到台帐管理基本都引入了信息化系统，部分高校还建立了大型仪器设备的共享平台。但在设备使用的具体地点，如学院的实验室、机房，对仪器设备的日常维护和损耗维修依然停留在纸质记录和人工管理的方式上，缺乏布局上的整体性和连贯性。高校实验室的信息化还存在以下亟待解决的问题。

(1)设备管理非自动化。教学仪器和设备分布离散、管理难度大、无专人管理和保养等;信息获取被动，存在空间障碍，对设备数量和种类繁多的实验室，管理人员难以准确快速定位、跟踪设备使用和维护。

(2)安全管理非智能化。实验室安全管理难以形成稳固的体系，对各类潜在危险的警告系统尚不完善，只能依赖于管理人员的责任心。随着大量开放式实验教学的开展，对于人员的智能监控的要求越来越高。

(3)环境管理非低碳化。机房的温湿度、粉尘、噪声等指标未实现统一监控和管理;实验室照明、设备供电、机器用电难以实现自动化调节，造成资源浪费。

(4)资源管理非共享化。不同院系实验室之间存在着资源利用和分配不协调，资源共享难以实现，存在设备“孤岛”现象。

1.2 物联网与智慧校园

1.2.1 物联网概念及特点

近年来，物联网已被定位为我国战略性新兴产业、信息产业创新发展新的增长点。以“全面感知、泛在互联、智慧应用”为特征的物联网概念不断深入人心，其中与实现“泛在互联”相关的通信技术是构成物联网的重要基础之一［1］。

物联网的实质是泛在网络融合协同的一种网络工作模式，是泛在网络及信息化在行业应用角度的一个重要体现。它是由智能感应设备、传输网络和应用控制网络系统构成，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络，物联网具有以下三个重要特征［2］。

(1)全面感知。物联网通过部署海量的RFID、传感器、二维码等信息源，随时随地获取物体的信息，包括用户位置、周边环境、个体爱好、身体状况、情绪、环境温度、湿度，以及用户业务感受、网络状态等。

(2)可靠传递。物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，通过现有的各种有线/无线通信网与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去，是实现异地感知的基础，同时适应各种异构网络及协议。

(3)智能处理。物联网将传感器与智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能计算技术，对海量的数据信息进行分析、加工和处理，对物体实施智能化的控制和管理。

1.2.2 校园智慧化

作为物联网技术研究的最前沿，众多高校及科研院所已成为物联网应用最早、最为广泛的地方之一［3］。在国内高校中，现已较为广泛应用的物联网技术是基于RFID的校园一卡通系统，在校园师生的门禁、就餐、借阅、超市购物以及考勤等日常工作和学习提供了便捷的生活方式。近年来，一些高校又提出了“智慧校园”的设想，即在现有的校园网基础上，构建应用更加广泛的校园物联网，实现学习、科研、校务治理、校园文化与网络的高度融合、无处不在。

实验室作为高校人才培养的实践基地，具有“引领创新、培养人才”的特殊职责，更需要依托智慧校园的环境，实现满足学校实验教学、科研、管理与服务的要求，提供细微、贴切、立体、能够感受到的智慧环境、综合服务、优化管理、科学决策、资源共享的开放性、协同化实验室。

1.3 智慧实验室的概念

智慧实验室(Smart Laboratory)作为智慧校园的重要组成部分，是以物联网技术为核心，利用新一代信息技术为广大师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台，实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联、人员的互动协作以及开放实验室设备资源、教学资源、科研资源的高度信息共享。

智慧实验室=实验室+物联网+智慧化设备，它基于物联网建立开放的、创新的、协作的、智能的综合实验室信息服务平台，教师、学生和管理者全面感知不同的教学资源，获得互动、共享、协作的实验学习和科研工作环境，实现教育信息资源的有效采集、分析、应用和服务。智慧实验室的最高阶段就是用户间、实验室间、用户与实验室、用户与信息资源间的通信都由实验室智慧化地完成，无需人工干预，达到“智慧”状态。

目前国内部分高校也在建设物联网实验室或智能实验室，但其设计角度大多局限于某些领域本身，比如以人工智能为主或是以智能计算为主，但不能够广泛推广应用到各类型高校实验室中。而本文提出的智慧实验室架构旨在结合物联网技术的发展，分析构建智慧实验室的宏观环境和建设需求，提出具有普适性和完整性的智慧实验室体系结构和应用模式。

2 基于物联网的智慧实验室构建

2.1 建设智慧实验室的硬件基础

目前我国多数高校已具备相当完善的校园网络，无线网络也有大规模的覆盖，各类实验室也都连接入网，其中少数实验室还拥有自己的网络平台，说明基本具备了实现以物联网为基础的智慧实验室的硬件条件。物联网的建设将依附于现有的互联网络，并再进一步增设泛在感知设备，实现设备间互联、设备与互联网络互联、互联网络与物联网络互联。

图1 智慧实验室层次架构模型

2.2 智慧实验室层次架构模型

智慧实验室层次架构模型采用类似于物联网的三层结构，从上至下依次为感知层、网络层和综合应用层，如图1所示。

2.2.1 感知层构建

感知层依靠大量的分布于实验室之中的感知设备来采集并向网络层传送各类数据信息。这些设备主要包括RFID设备、传感器设备以及智能M2M终端。

RFID作为物联网概念中的核心技术，具有非常广泛的应用领域，完全可以将其在物流领域中的成功经验应用到智慧实验室的构建中。集成了RFID读写芯片的设备可以作为感知层的主体，与多种传感器设备相配合，织构成一张覆盖全实验室的感知网络。在现有的感知设备中，RFID设备的优势明显，发挥的作用也比较大。其中，低频RFID设备可用来进行刷卡考勤、身份识别等应用，高频RFID设备可通过实验室范围内的多标签识别技术，应用在实验设备监管中。RFID设备应设计为可通过有线、无线方式接入实验室网络，将采集到的基础数据上传至服务器。

众多的传感器设备是感知层必不可少的组成部分，起到感知各种物理变量，如温度、湿度、距离、压力、电流等的核心作用，而智能化的传感器之间又能组成灵活的传感网络，将数据逐层传递。

设计成熟的SIM(Subscriber Identity Module，身份识别)模块也可作为感知端纳入到感知层中。由于它兼具数据存储和串行通信的功能，在智慧实验室管理中，它更多地是发挥消息通知作用，也可用来传输少量稳定的数据流。

摄像头等多媒体网络终端设备用以辅助传感器型设备，使得实验室信息管理可视化、立体化。

2.2.2 网络层构建

网络层作为物联网的中间层，借助于互联网、无线宽带及电信骨干网，承载着感知数据的接入、传输与运营等重要工作，物联网的网络层可能构建于“多网融合”后的骨干网络之上，也可能是各类专网［4］。网络层中所涉及到的物联网技术有物联网节点及网关技术、物联网通信与频管技术、物联网接入与组网技术。

实验室中现有的校园网、WLAN以及移动2G/3G网络和为实验室定制搭建的无线传感器网络将成为网络层的主体。各网络实体之间协同工作，各显其能。

2.2.3 应用层构建

感知层和网络层最终服务于应用层。正是应用层提供的大量可靠、快捷、智能的服务应用，才显示出实验室的智慧性。应用层旨在构建一个多服务综合平台，实现教学管理、资源管理、环境监控等诸多应用的智慧大融合，它们之间将不再是独立分治的结构，而是集成于统一平台之上，形成开放的实验室系统。

智慧实验室系统平台可以充分地对“实验教学”、“实验资源”、“实验环境”以及“实验人员”等方面进行可视、集中、高效地管理。学生可以通过平台进行实验预约、查看培养计划、下载学习资源和浏览课程信息，教师可借助平台完成排课、过程监测和考务管理等以往非常繁琐的操作。实验室管理员在平台上可一目了然地掌握实验室各类资源的信息，包括教学设备的状况、设备端口的占用情况以及定期生成的设备巡检报告，大大简化了实验室管理员的常规工作量。实验室的环境错综复杂，涉及电气、门窗、温湿度等各个方面，对安全性的要求非常高，但传统的以人为主体的安全管理模式对于实验室管理员来说很难做到实时地心中有数。智慧实验室平台可使这些环境状况集中可视化管理，管理员掌控环境信息就不再是难事。实验室最终的服务对象还是人员，但是以往对人员的管理还很薄弱，这里的人员包括通常意义上的教师、学生以及SNS用户、设备商等等，对实验室的管理加上对人员的管理便是智慧实验室平台的管理目标［5-10］。

2.3 智慧实验室运作机制

智慧实验室的构建促进了集教学实验、科研创新、竞赛活动、毕业设计四位一体的综合性平台的产生，如图2所示。

图2 智慧实验室四位一体关系图

智慧实验室为教学实验提供更高效的保障。传统方式下，教师和学生只是借助实验室的空间与教学资源，教学过程与实验室本身并无高度融合。智慧实验室则为教学过程的前期课程安排、中期实验资源管理与实验过程监测和后期课程考核与评估提供了全面的智慧应用。在教学过程中，教师感受到智慧应用为其教学提供的便利，学生也感受到智慧应用为其学习过程提供的立体化帮助。

智慧实验室能为竞赛活动、毕业设计提供更丰富的条件。以往，参加竞赛活动或是准备毕业设计的学生很难找到合适的场地进行设计，而仅有的场地所能提供的资源条件也是极为有限。智慧实验室作为开放式的资源平台，可以为学生的竞赛活动、毕业设计提供足够的软硬件资源上的支持，同时提高了实验室设备的利用率，避免了资源浪费的情况。

智慧实验室为科研创新提供更广阔的平台。科研实验室作为研究生的主要培养平台，可进行科研创新的验证及理论应用于实际的转化。智慧实验室以其资源的高度丰富与前沿性技术为科研助推。实验室能为科研创新提供条件，科研创新的成果又能完善实验室，形成良性的正反馈。

教学、科研、竞赛及毕业设计等活动通过智慧实验室紧密结合在一起，相互支撑、相互促进。以往，本科生与研究生所能直接接触的机会并不多，往往本科生在专业上的一些奇思妙想能带给研究生科研上的灵感，而研究生的丰富经验又能为本科生提供有意义的指导。智慧实验室为不同的研究人群提供沟通与交流的平台，实现科研想法的分享，使不同人群受益［11-13］。

3 规范的实验室管理机制

智慧实验室基于协同、集中的思想，为实验室管理提供了方便的平台。智慧化的应用将室内门窗电气安全、进出人员安全与设备状态监控集中到一起，杜绝了以往诸多管理系统分而治之的情形，实现了实验室集中化管理。

同时，实验室规范化运作，除了高效、智慧化管理，人员也需要遵守严密的管理制度。有许多实例表明，由于实验室管理混乱或是管理员的疏忽而造成了实验室的重大损失，究其原因是对人员管理的不到位。在智慧实验室层级架构中，实验室工作体系与管理机制和实验室信息及安全标准与规范在“智慧外围”起到了加强作用。这样操作规范的实验人员与智慧化的管理方式相配合，将智慧化优势发挥到极致［14-16］。

4 结语

由于物联网技术的发展还处于起步阶段，它的建设和完善还将是一个漫长的过程，但智慧实验室是未来高校实验室发展建设的必然趋势。毫无疑问，物联网给学校带来相当大的便利和巨大的发展前景，但同时也面临着许多挑战，如技术标准不统一、信息安全问题、基础设施和管理机制尚不完备等。如何有效地推动物联网在高校实验室建设上发挥作用，促进实践教育教学发展，提高教学质量，所涉及的范围也不仅仅是技术问题，还将带来更多的创新应用和服务，引起校园教学环境及管理模式的变革。希望本文的探讨能够起到抛砖引玉的作用，为智慧校园及智慧实验室的研究者提供一些参考。

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Research on the Structure of Smart Laboratory Based on the Internet of Things Technology

ZHOU Chun-yue，YAN Zi-qi
(Key Laboratory of Communication＆ Information Systems，School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

In order to make the university laboratory to adapt to the changing environment of development，to meet the openness and synergy needs of experimental teaching，management，and service，and to achieve its instructional objectives that is“leading innovation，training talents”，the paper discusses the application patterns and contents of the Internet of things technology in laboratory management in universities，It puts forward the design ideas of the“Smart Laboratory”system that is to build a comprehensive laboratory information system.whose The design goals is to serve the teachers and the students efficiently by using of the Internet technology，network technology and embedded technology.Based on this concept，the paper puts forward a three-layer structure model of the Smart Laboratory，and discusses the design on different layers in the model.In addition，the Smart laboratory operation mechanism and management mechanism are also discussed at the end of paper based on the consideration of the sustainable development and security of it.

internet of things;Smart Laboratory;intelligence service

TP 393

A

1006－7167(2014)05－0239－05

2013－07－18

“通信工程专业综合改革试点建设项目”与北京交通大学实验室研究课题(13040802)资助

周春月(1973－)，女，黑龙江大庆人，博士，高级工程师，教师，主要研究方向为下一代通信网络技术、信息安全。

Tel.:010-51688676;E-mail:zhouchunyue@hotmail.com