基于物联网的智慧实验室架构设计与实现

陈丽萍，陈惠滨

（集美大学信息工程学院，福建厦门361021）

基于物联网的智慧实验室架构设计与实现

陈丽萍，陈惠滨

（集美大学信息工程学院，福建厦门361021）

为了实现实验室的"智慧化"运行，将教师从繁琐的管理工作中解放出来的同时给学生提供自由灵活的实验基地，提出了"智慧实验室"的设计思想，阐述了基于物联网的智慧实验室的构建及具体内容，实现了实验室管理、课堂管理、实验室电源管理和环境管理的智慧化.

智慧实验室；物联网；实验室管理

近年来，物联网技术打破了人们的传统思维方式，给人们的生活带来非常大的变革［1-2］.物联网是信息空间与物理空间的融合互通，能够将人们周围的一切事物数字化、网络化、自动化、智能化，实现高效信息交互［3］.未来物联网能够像人体一样，由中央处理单元进行协同运作，其不同感应识别末梢完成不同的功能，从而最终组成智能化的控制系统［4-5］.

实验室是高等院校培养创新、创业人才的实践场所，具有“引领创新、培养人才”的特殊使命.近年来，高校实验室的信息化程度有了很大的提高，但是管理模式仍无法满足实验教学、基础及专业实验室开放、科学研究、创新创业人才培养等活动的需求.未来的高校实验室需借鉴“顶层设计”的思想，利用物联网技术、互联网技术以及ARM技术来构建一个行之有效的智慧化管理系统，实现实验室“智慧化”.

1 研究背景

1.1 物联网的概念及其主要特征

物联网是通过RFID、GPS、红外感应器、激光扫描器等各种传感器将任何物体以特定的通信协议连接在一起进行数据交换，从而实现智能识别、智能定位、智能跟踪、智能监控和管理的一种网络［6-7］.物联网也就是“物物相连的互联网”.物联网具有全面感知、泛在互联、智慧应用的特点［8］.

相较于传统互联网，物联网具有几个特点：

（1）全面感知、无处不在.Sensor、WSN是物联网无处不在的感知手段，可以随时随地地获取物体信息，实时性高、更新速度快、数据量大.

（2）实时可靠地传递.物联网是一种泛在网络，它建立在互联网基础上，并将各种有线通信网、无线通信网与其融合，从而将物体的数据信息准确地、实时可靠地传输出去.

（3）智能处理与控制.物联网利用模式识别、云计算等技术，将传感器与智能处理、智能控制相融合，对从各个传感器上获取的巨量数据信息进行分析和处理，实现智能处理与控制.

1.2 高校实验室管理现状

x1与 x3相关系数 R=-0.824，P=0.001＜0.05；x2与x4的 R=-0.973，P=0.000。可见：x1与 x3，x2与 x4均为显著相关，建模时将作剔除处理。

随着创新创业浪潮的席卷，国内各高校也越来越重视实验室的信息化建设.虽然实验室管理系统近年来得到了较快速发展，但普及率仍有待提高，部分高校还处在人工手动管理，实验室的管理、实验室的仪器、设备的日常维护和使用仍是人工手动纸质记录，缺乏布局上的整体性与连贯性［9］.

高校实验室管理还存在一些问题：

（1）仪器、设备管理.实验教学仪器、实验教学设备离散分布在各个实验室，虽然有专人管理和保养，但都是人工手动纸质化管理，信息无法自动获取，管理人员难以准确快速定位、跟踪设备.

（2）环境、电源管理.实验室照明、仪器设备供电不是自动地“智慧化”调节，造成一定程度的资源浪费.实验室的环境无法实时监测，对潜在威胁无法提前预知并发出警告.随着大量的实验室作为开放式实验室全天候随时随地提供给广大师生使用，对实验室的环境管理以及电源安全管理提出了更高要求，如何保障开放式实验室的有效运行是许多高校实验室管理中亟待解决的问题之一.

2 基于物联网的智慧实验室构建

2.1 智慧实验室概念

“智慧实验室”是以互联网+为基础，采用先进的信息化技术手段和软硬件设备，集创新人才培养、数字化资源共享、互联网+一站式服务为一体的多功能实验室，这与传统的实验室存在本质上的区别［10］.

智慧实验室即实验室、互联网、物联网以及智慧化设备相结合的实验室，它以物联网技术为核心，建立“智慧化”的实验室综合管理平台，实现实验室的智能化、可视化管理，从而为实验室的管理、教学和环境提供信息资源高度可控、统一协调的“智慧”服务.用户-用户、用户-实验室、用户-信息资源、实验室-实验室间的通信都由智慧实验室完成，不需要人工干预，这是智慧实验室的顶级阶段.

2.2 总体规划

基于物联网的智慧实验室主要由3个层次的网络组成，分别是广域互联网、局域以太网和无线传感器网，总体架构见图1.

图1 总体架构

（1）智慧实验室管理.主要包括：教务管理、开放预约管理以及物资管理3个部分.管理工作通过实验室平台管理系统完成，实现管理自动化无纸化，将教师从繁琐的管理工作中解放出来.

教务管理智慧化.通过实验室平台管理系统进行课表导入、按班级排课、按教师排课、按实验室排课以及多种类的实验分配，解决实验室资源短缺和学生空闲时间不确定的矛盾.从而实现实验室资源的充分利用，实验教学过程的合理安排，全面保障实验教学任务的顺利完成.

开放预约管理.实验室管理员针对不同的实验室做不同的开放安排，合理安排开放时段，学生通过实验室平台管理系统对需要进入的实验室进行预约，实验室管理员可在后台及时查看预约信息，实时掌握仪器设备被预约的人、时、物等信息，合理安排仪器资源.

物资管理智慧化.分为实验室耗材管理和实验室报表数据管理.其中实验室耗材管理包含耗材的采购申请、审批、采购、入库、退货、领用、退库、经费等的管理，并对耗材的采购情况、损耗情况、使用情况、库存情况等进行统计.实验室报表数据管理实现面向对象（各级领导、教师、学生等）的综合信息查询，获取实验室资产的统计、仪器与设备的统计等各种分类统计信息，自动生成真实有效地数据报表，实现实验室管理工作的无纸化，智能化.

（2）智慧课堂管理.包括门禁控制、RFID考勤管理两个部分，通过ZigBee模块与ZigBee网关进行无线通讯.

门禁控制.包括电子锁和刷卡器两部分.电子锁安装在实验室门上，实现授权刷卡开门、分配座位、与电源控制联动控制等功能.刷卡器则安装在实验室门外，学生一旦在预约时间内刷卡，节点服务器随即发出相应指令完成开门功能.

RFID考勤管理.学生进出实验室上课、或是自主实验，根据学生在物联网门禁系统的刷卡记录自动生成考勤结果.

（3）智慧电源管理.包括电源控制和刷卡取电两部分，同样是通过ZigBee模块和ZigBee网关进行无线通讯.

电源控制.通过ZigBee模块控制继电器，可实现对多台设备的电源控制［11］.实验室管理者可以通过局域网或Internet网络对所有节点打开或关闭，实现远程控制电源.

刷卡取电.学生使用校园卡完成身份认证为所预约的实验仪器设备供电，身份不匹配则无权打开该节点，无权为所预约的实验仪器设备供电.离开时则自动断电.该节点有3种工作模式（同时具有远程打开和关闭功能），具体见图2.

（4）智慧环境管理：主要实现实验室环境的实时监测并进行相应控制，如火灾检测、PM2.5检测、温度/湿度采集、光照度采集、声光报警器等.前端传感器单元感知相关环境参数并进行监测，然后控制实验室设备进行相应操作，如灯光控制、电动窗帘控制、声光报警控制等，应用详情见图3图.

图2 刷卡取电节点工作模式

图3 实验室环境智慧化管理

3 结语

一个基于物联网的智慧实验室的建立与应用是实验教学的创新体现，提高了实验室的管理水平和智慧化程度，不仅将教师从繁琐的管理工作中解放出来，更好的去完成教学实验以及进行科研创新，同时也为学生提供了自由灵活的实验基地，对提升学生的自主创新能力有着非常重要的意义.同时，通过对电源和环境的“智慧”控制，最大限度地降低了实验室的能耗，提高了实验室的安全系数.

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

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

［3］吴蓬勃，李学海，杨斐，等.基于物联网的智能实验室研究与实践[J].实验室研究与探索，2015，34（3）：78-85.

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

［5］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.

［6］刘辉.物联网——引领智慧地球新时代[J].中国电子商务，2013（23）：44.

［7］刘昌鑫，陈慧娟，欧阳春娟，等.物联网技术支持下的高校智慧实验室构建探析[J].中国教育信息化，2016（7）：54-56.

［8］吴巍，吴渭，骆连合.物联网与泛大网通信技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

［9］周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，3014，33（5）：239-243.

［10］周春樵，朱思征.基于互联网+的“智慧创新实验室”架构研究[J].改革与开放，2016（7）：82-83,84.

［11］邹志宏，吴良，吴文化，等.实验开放管理与安全保障[J].实验室研究与探索，2012，31（7）：442-444.

Research on the Structure of Intelligent Laboratory Based on the Internet of Things

CHEN Li-ping,CHEN Hui-bin
（Information Engineering College,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian,China）

In order to realize the"intelligent"operation of the laboratory,which would make the teacher freed from the cumbersome management work and the students provided with a free and flexible experimental base,this paper puts forward the designing idea of the"Intelligent Laboratory",expounds the construction plan and concrete details of the intelligent laboratory based on the Internet of Things.It aims at the realization of the smart laboratory management,intelligent classroom management,laboratory power management and environmental management.

Intelligent Laboratory；Internet of things；laboratory management

TP391.4

A

1007-5348（2017）09-0027-04

2017-06-23

陈丽萍（1986-），女，江西吉安人，集美大学信息工程学院助理实验师，硕士研究生；研究方向：信息系统.

（责任编辑：欧 恺）