基于物联网技术的智能实验室管理系统的研究与应用

刘君玲

（福建信息职业技术学院计算机工程系，福建 福州 350003）

一、研究的背景及意义

作为现代技能型人才培养和实践教学的重要基地，实训基地的建设水平和目标是国家示范性高职院校考核的一项重要指标，专业实验室承担着实践教学的任务和科研的工作，实验室管理水平既是高职院校建设工作的重要标志，也是院校综合实力的体现，对深化教育改革和培养创新人才有着深远的意义。［2］当前，由于人才培养和创新的要求，大部分高职院校实验室基础设施相对较完善，但是管理主要还是以人工为主，主要依靠实训教师和设备管理人员的长时间监管来保证实验教学的正常进行和实验室的日常运行，实验设备仍存在利用率低，维护与管理的技术落后，工作效率低下，数据的存储、查询与传输及使用困难，设备的数字化与智能化程序很低，严重制约了创新人才培养与素质教育的发展。另一方面，针对计算机专业课程，实践操作性强，学生需要利用更多的课余时间来实践才能掌握课程开发的要求，而大部分实验室均不对外开放，不能满足学生对实践教学环节的需求。

当前，基于物联网技术的智能家居、智能楼宇等［3］应用得到了广泛的推广，技术给整个应用环境带来了智能化改变。因此，物联网技术在智能家居、智能楼宇等方面的部分结构和特性应用于实验室，［4］探索智能实验室的模型，利用全新的技术手段和管理方法实现智能化监控和管理实验设备、实验过程，将大大提高实验室的管理工作效率和水平。

文章以福建信息学院计算机工程系为例提出的智能实验室架构旨在结合物联网技术的发展，分析构建智能实验室的宏观环境和建设需求，提出具有普遍适应性和完整性的智能实验室体系结构和应用模式，为我系创新实训室建设提出解决方案。

二、创新实训室建设的目的意义

创新实训室主要是培养从事物联网领域的系统设计、系统分析与运行、科技应用与研发的高等工程技能人才。通过建立一个完整的基础的实训架构体系，围绕物联网主题，兼顾目前IT技术的发展趋势，让学生和学员学通过各种无线传感器网络、智能视频技术等教学实验，模拟典型智慧校园、智能家居等实际应用，感知体验与动手的结合、方案设计与实际验证的结合，来培养学生合理的知识结构，使他们具备扎实的物联网理论知识和实践知识，并具备在物联网领域跟踪新知识、新技术的能力以及较强的物联网应用能力，最终达到能让学生独立构架各种物联网应用系统，提高动手能力，积累实践经验，提高水平的目的。

三、创新实训室建设特点

物联网创新实训室以技术全面化、业务典型化、应用教学化三个方面为指导思想来进行设计与建设。

技术全面化主要解决技术知识层面的问题，物联网从技术角度讲分为三个部分：全面感知、可靠传递、智能处理，是传统嵌入式技术的一种应用延伸，囊括从ARM接口技术、传感器接口技术、微控制器驱动应用、无线网络技术、ZigBee无线通信技术、6LoWPAN无线通信技术、IPv6无线通信技术、嵌入式操作系统、高级嵌入式网络通信、智慧云中间件、Android移动应用、嵌入式服务器编程、智慧数据分析与挖掘等课程资源的学习。其中，智能家居的关键技术有：网络结构技术、组网与控制技术、传感器终端技术、中间件平台技术与智能家居业务平台这五大类。作为物联网中智能家居行业应用实训产品，智能家居认识实训平台，向广大中高职、本科学生提供了基于专业教学基础上的行业综合应用实训教学，立足与物联网关键技术知识点，并向整个行业项目操作过程的专业实训进行辐射。

业务典型化主要将企业的成功商业模式及行业应用如智能家居认知实训平台是一组基于ZigBee传感技术的室内环境检测智能设备，可检测实训环境空气中的温湿度情况及地板的水浸情况。通过模块化的检测单元可方便简单的实现对实训环境数据的拓展检测。移动客户端应用软件、云平台软件均可为用户提供室内环境数据展现、环境异常提醒等服务，实训管理人无论身在何方，均可能过手机或平板随时了解实训场景内环境状况使学生在实训的得到真实行业产业应用。

应用教学化：基于物联网技术基础教学完美展现物联网智能家居行业的应用，通过设计一整套完整的智能家居应用实训：智能温湿度传感实验；智能水浸探测实验；智能可燃气体探测实验；智能烟感探测实验；智能一氧化碳探测实验；智能开关控制实训；智能灯光控制调光实训；智能情景模式设置实训；智能家电控制实训；智能电动窗帘控制实训；智能门禁控制实训；智能视频监控实训；智能异常报警实训；体现教学实训一体化设计，向广大师生用户提供：基础教学+行业实训一体化的产品，做到理论与实际操作相结合，培养复合型专业技术人才。

四、物联网创新实训室建设方案

（一）方案概述

福建职业信息技术学院物联网创新互动实训室面积建议100-120平方米，分为理实一体化实训学习区及互动实验区，两个区域在空间上相互融合，互动实验区的各个创新实训室设备真实运用在教室日常各个环节。整个实训室主要由8套六角桌、48台PC，一套智能教室互动实验实训平台及新大陆物联网云平台软件构成，整个实训室可让40-48名学生同时实训。

统一的云平台管理软件能够实现老师对实训项目的个性化生成及发布，每组学生即可以登录老师所发布的不同页面进行实验，每节实验课各组学生之间实验实训互不干扰。同时，云平台的API接口与实验软件的源代码均根据教学要求开放，使得学生从认知、互动、安装部署直到后台软件研发层面可全程参与。不仅避免了传统互动实训室认知与实训两部分脱离的情况，而且高度与实际行业应用的互动结合，最大程度激发学生学习与创新热情。

（二）实训室建设规划

1.实训学习区

实训学习区采用8套的六角桌及48台电脑，老师在该实训室就可以进行理论知识的教学，可以围绕着“采集、传输、处理、应用”四大核心领域，展示智能教室建设各项新技术、新产品、新装备、新工艺，让学生了解当前智能家居技术、发展趋势，以及相关产品。学生学习完，可以进行相应的讨论，然后到互动体验区进行相应的实训。

2.互动实训区

该区域提供物联网智能家居实际应用展示，以最直观的互动体验方式展示物联网各项技术在创新实训室中的应用场景。除此之外，其中的每项展示环节，学生均能参与其中的规划、部署、安装、调试、开发环节，既能激发学生学习与创新的热情，又达到理论与实践结合的效果，完成体验与研发的多种教学任务。

该区域将分为四块内容供8组学生进行相应的实训实验

（1）合理分组教学实训一体化

实训室的居家控制系统可以分三组学生进行实训

第一组学生：控制实训室灯光的实验；

第二组学生：控制实训窗帘的实验；

第三组学生：控制实训室设备如：投影仪的、空调等实验；

实训室的环境监测系统分一组学生进行实训

第四组学生：采集实训室的环境数据实验如：室内的温度与湿度等；

安防监控系统可以分三组学生进行实训；

第五组学生：控制调取实训室监控设备实验；

第六组学生：控制实训室门禁实验；

第七组学生：控制实训室防盗实验；

娱乐影音系统分一组学生进行实训

第八组学生：控制实训室的娱乐影音设备实验；

（2）系统功能扩展应用化

该系统支持学生开发的应用软件/文档等资料，存储于个人PC电脑。

该系统支持课后老师登录云平台，用其高级账号，可迅速清除其账号下学生账号的所操作的痕迹与记录

（3）整体系统功能灵动化。

整体系统可以根据需要，解除学生客户端与系统绑定，实现教师客户端直接控制整个系统的完整运行。

（三）智能家居互动体验平台

智能家居认知实训平台是将智能家居控制系统真实安装在实训室环境中，将实训室中的真实布景的家居环境，如灯光、电器、窗帘等进行智能控制，并提供日常防护与异常报警的安防监控套件，与环境监测等套件相结合，给老师与学生有真实的智能家居体验系统。通过该系统可以认知整套智能家居控制系统与实际环境、实际受控设备之间的关系，掌握在具体应用中所涉及的技能知识，理解智能家居系统应用的整体规划与方案。该系统集教学、实训和体验功能于一体，围绕智能家居主题，注重各种设备之间的融合与灵活应用，按照教学的独特设计将智能家居各功能设备组合成不同的应用场景。体现了物联网感知层、网络层、应用层在智能家居上的应用与实训室建设的先进性。

1.平台特点

（1）教学实训一体化。基于物联网技术基础教学之余，完美展现物联网智能家居行业应用，体现教学实训一体化设计，向广大师生用户提供：基础教学+行业实训一体化的产品，做到理论与实际操作相结合，培养复合型专业技术人才。

（2）教学资源系列化。从教学知识点、课程学时、教材课程的设计、以及实训项目和其他配套的软性教学服务，内容层次递进，从基础技术到行业应用，从理论知识到实际操作训练，从技术层面到整个行业应用项目方案掌握，本产品提供系列化教学服务体系。

（3）课程设计多层化。结合中高职院校的广大学生的就业方向，以及企事业用人单位的招工岗位实际要求，本产品提供不同阶梯的课程设计，满足中高职、本科院校的广大师生的教学需求。

中职学校：除理论知识外，侧重于系统搭建、配置、安装、调试与部品故障初判、简单维修等其他需求。高职学校：在中职学校需求的基础上，满足行业应用操作、项目方案制作、行业招投标操作等其他需求。

（4）系统架构智能化。一体化控制，简单安装、部署、组网、操控，智能示警等，体现物联应用智能化设计。

（5）物联应用扩展化。系统全方面展现物联网智能家居行业应用之余，还拓展到智能家居行业相交集的物联网其他行业的应用，如：楼宇对讲与智慧远程医疗。不局限于单个行业，而是真正的做到物联应用系统化。

2.主要功能

（1）智慧中心

智能家居认知实训平台智慧中心，分为基础网络支持、系统控制、云信息服务三大构架。其中：基础网络支持：配置高性能的路由器，可保障长时间高效工作。

系统控制：配置智能家居网关与智能平板（或智能手机），可通过智能家居网关的组网，对智能家居设备进行智能化便捷控制；智能家居网关是整个系统的核心部品。

云信息服务：则是本产品提供了一套智能家居设备应用平台，包括客户端软件以及智能家居云。

（2）居家控制套件

智能家居认知实训平台居家控制套件，是基于ZigBee传感技术的控制家居设备的控制套件，通过这套件可以将家居设备分类别模块的进行智能化控制，分为：智能灯光控制系统、电动窗帘控制系统、智能控制系统。

（3）娱乐影音套件

智能家居认知实训平台娱乐影音套件，采用基于ZigBee传感技术的智能插座、智能控制面板、红外转发器设备对家居娱乐设备（电视、音响系统）以及会客、影院等多种情景模式进行设定与控制，实现家庭娱乐的目的。

（4）居家控制套件

智能家居认知实训平台环境监测套件，是一组基于ZigBee传感技术的室内环境检测智能设备，该套件可检测家居环境空气中的温湿度情况及厨房卫生间地板的水浸情况。

通过模块化的检测单元可方便简单的实现对家居环境数据的拓展检测。移动客户端应用软件、云平台软件均可为用户提供室内环境数据展现、环境异常提醒等服务，无论身在何方，随时了解室内环境状况。

（5）安全防护套件

智能家居认知实训平台安全防护套件由一整套基于Zigbee技术的传感器、无线摄像头、智能门锁组成，旨在向用户提供高效、稳定、操作便捷、智能控制的安全防护系统。其中：

传感器可对家中的可燃气提、光电烟雾和一氧化碳进行侦测和报警。

智慧门锁与门、窗磁组成了一个门禁系统，提供指纹、RFID和远程开锁功能，配合智慧中心可探测门、窗是否存在异常入侵并提供报警功能。

采用网络无线摄像头方案免去复杂的布线和调试，支持四区域移动帧测，支持远程进行访问。红外传感器支持入侵防范于布防，保证整个居家的安全。

（三）系统结构

图1 智能家居互动体验平台拓扑图

五、结束语

基于物联网技术的智能实验室管理系统的是以物联网技术为核心，以技术全面化、业务典型化、应用教学化三个方面为指导思想进行建设的一个全面的智能感知的实训环境和综合信息服务平台。［5］通过建立创新实训室，建设一个教、学、研、培训认证统一的实训平台，不仅为学生提供良好的实验实践平台，提高他们的动手能力，积累实践经验，提高学生的水平；同时为教师提供物联网应用研究的科研平台，通过创新实训室设备促进教师与科研人员进行更好的科研研究，为教师、学生和管理人员提供智能化、安全化、可视化的管理平台。