“互联网+”背景下智慧实验室的设计与建设

裴慧华，韦小铃

（北部湾大学，广西 钦州 535011）

0 引 言

随着科技的进步，建设科技强国成为我国教育界需重点研究的方向。人才作为发展科技、提高国家竞争力的重要基础，对国家科技发展具有重要影响。因此，教育发展必须“以人为本”。2018年10月，教育部印发的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（以下简称“意见”）提出多项举措来提高人才培养质量。其中，“推进现代信息技术与教育教学深度融合”的举措中指出，要重塑教育教学形态，打造智慧课堂、智慧实验室、智慧校园，推动形成“互联网+高等教育”新形态[1]。在互联网发展背景下，智慧实验室建设是高等教育人才培养的诉求之一。基于此，本文围绕智慧实验室的构成和需求，探索智慧实验室的具体设计方案。

1 智慧实验室的内涵

关于智慧实验室的概念，目前学术界尚未形成统一的定义。有学者提出，智慧实验室是以物联网技术为核心，依托新一代信息技术为广大师生提供全面智能感知的实验环境和综合性信息服务平台，以此实现智能化、安全化、可视化管理，实现资源共享，即智慧实验室=实验室+物联网+智慧化设备[2]。智慧实验室的建设，离不开物联网、云计算、人工智能等各类信息技术的支撑。

经过探索，国内部分高校在智慧实验室建设方面已取得一定进展，但智慧实验室的设计多侧重于某个领域本身，难以广泛推广应用。本文探索通过综合运用多项技术，升级实验室硬件设备，打造智慧实验室管理系统，提供良好的学习环境。

2 “互联网+”背景下的智慧实验室设计

2.1 建设目标

智慧实验室建设的核心目标是实现教育智慧化。教育智慧化即在满足教育实际应用的基础上，利用互联网和云计算等技术，构建教师端和学生端管理系统，形成课堂教学的全景式评价体系以及资源共享、协同管理的服务体系，为师生提供新的教学途径，也为实验室管理提供技术支持[3]。

2.2 智慧实验室整体架构方案

“互联网+”背景下，智慧实验室的搭建主要以物联网技术为基础，由五大系统构成，分别是感知系统、信息传输系统、信息处理系统、执行系统以及管理系统，其构成原理如图1所示[3]。首先，通过门禁、人脸识别、红外感知及设备状态感知等感知系统，采集相关数据，经由数据采集器、有线网络及无线网络等，将物联网感知的信息传输至计算机服务器。其次，与服务器相关联的分别是信息处理系统和执行系统。信息处理系统主要借助大数据、云计算等数据处理技术对收集到的信息进行处理分析，而执行系统主要将服务器发出的控制信息通过互联网传输系统传递给各类执行设备，如门禁系统、排风阀门系统等。最后，在上述系统的协调配合下，管理系统实现对人员、设备、样品、环境等的信息化、智能化管理。

图1 智慧实验室构成系统原理示意图

2.3 系统功能架构

2.3.1 智慧管理系统设计

智慧管理系统包括对人员、设备、样品、系统等的管理。智慧实验室的智慧管理系统以物联网为基础，以智慧中心云平台软件为核心，结合射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，对实验室内的设备、样品贴上标签，并对标签进行录入。人员管理系统包括教师端和学生端两部分。教师端部分包括设备状态查询、设备管理、门禁授权、课程安排、报警推动等多项功能，如图2所示。其中，设备状态查询和控制能够对实验室内情况进行实时监测，并及时解决实验室出现的异常；门禁授权系统可以根据课程安排授予指定人员门禁权限，班牌管理主要是将云平台的信息和必要的设备信息及学生信息推送给管理人员，方便进行管理。

图2 教师端功能结构图

2.3.2 智慧监控系统设计

智慧监控系统由传感器、数据采集器、中继器及控制器组成。如图3所示，首先，由传感器对其控制节点进行监测，例如门磁传感器可以监测门的开关状态，烟雾传感器可以对实验室内的烟雾浓度进行监测，从而进行火灾判断。其次，传感器将数据传输到数据采集器，再由中继器、路由器将数据传输到控制器，最后由控制器发出指令。

图3 智能监控系统流程

2.3.3 数据处理系统

数据处理系统以MySQL作为后台服务数据库。该数据库整体结构简单，能够同时支撑多个平台使用，且部署较为简单，执行速度较快。智慧实验室数据处理系统使用Java应用程序，通过JDBC驱动连接到数据库，并对系统数据进行分类储存与管理[5]。

3 “互联网+”背景下智慧实验室的建设

3.1 服务器搭建

服务器是一种提供计算服务的设备，是一种高性能计算机设备。服务器能够及时处理网络其他计算机设备的服务请求，并满足其需求[6]。在实验室构建服务器，建立网络连接，有效实现PC端、手机端及移动终端的通信，能够接收并管理来自各方发送的数据及命令，用户也能通过账号密码快速登录，适用于权限管理。智慧实验室服务器的搭建基于.NET Framework平台，依托C#语言进行Socket网络编程[7]。在网络应用中，Socket通信多被用于数据传输中，及时将收集的数据传输到数据库。

3.2 PC客户端架构

PC客户端不仅可以完成对实验室的实时监控，还可以与实验室的考核系统以及MSDS系统创建连接，从而完成数据显示、设备控制、历史查询、故障报警以及管理权限等功能[8]。如图4所示，整个系统虽然包含内容较多，但每个部分相对独立，流程更清晰。

图4 PC客户端流程图

3.3 移动端监控软件建设

虽然PC客户端能够较为准确地完成对实验室的监控，但与移动终端相比，PC端不方便随时携带。因此，移动端监控软件的建设能有效弥补PC端的不足，实现对实验室的全面、及时监控。

移动端监控软件开发可以通过Android Studio 2.3实现，利用智慧实验室系统中的独立服务器，建立移动端测控软件与服务器的连接，实现数据之间的传输。在编程语言方面，选择Java编程语言，实现移动端监控软件对实验室各类传感器数据的全时段获取。

4 结 语

随着互联网技术的发展，构建智慧实验室成为实验室未来发展的必然趋势。通过智慧实验室信息化平台，能够有效节约人力资源，提高实验室资源管理成效，实现数据共享，为科研人员提供良好的实验环境。