物联网+大数据技术下实验室建设前景

湾晓芳

（西安财经大学行知学院，陕西 西安 710038)

1 物联网+大数据技术下实验室建设的必要性

随着“十三五”发展中对现代信息技术的创新与信息化建设力度的加大，云计算、物联网等核心技术应用得到普及，同时信息化已成为发展新常态。尤其是物联网大数据平台的构建，为信息化应用提供了可视化、数据采集与处理、预测预警等功能，从多方面创造出数据化管理的条件，以加强实验室的信息服务能力。在物联网+大数据技术的支持下，实验室信息化建设得以推进。借助物联网+大数据技术，通过对社会经济状态与发展趋势等进行客观分析，并满足实验室建设中“以数据为支撑制定管理方案”的要求[1]，特别是在《大数据产业发展规则（2016-2020年）》的推动下，实验室建设的进展步伐明显加快。

近些年，物联网+大数据应用发展迅猛，据《中国在按数据产业发展前景与投资战略规划分析报告》显示，从2015年开始我国大数据进入快速发展阶段，至2020年,大数据产业规模从2 800亿元增长至10 100亿元，从2020年至今，仍处于匀速上涨趋势。实验室应充分利用物联网和大数据技术的优势，通过改革实验室建设，挖掘其潜在的教育优势，并逐步推进数字化变革[2]。物联网和大数据技术为实验室建设提供了重要的前提条件，并有效改善了实验室传统模式下存在的问题，如实验室资源浪费严重、自主学习环境不理想、实验室仪器设备管理难度大等。因此，实验室迫切需要引入物联网和大数据技术，建立更完善的信息化管理体系，以提高实验室效率[3]。

2 建立实验室系统建设框架和设计网络拓扑结构

2.1 实验室系统建设框架

将物联网+大数据技术运用到实验室的建设中，综合高校实验室的改革现状，积极对实验室系统建设框架进行科学设计，以高校实验课程及开放式实验为载体，优化实验室建设框架，扩大实验室建设与发展空间[4]。

2.2 实验室网络整合与协同化管理

实验室系统的网络拓扑结构基于物联网和大数据技术，并结合智能化设备，通过网络信息中心实现整合。这样可以统一涵盖数据处理、设备接入和综合应用等环节，充分利用物联网+大数据技术资源和实验室资源[5]。在此基础上，提出了建立综合性实验信息平台的设想，该平台具有开放性和智能性的优势，增强实验室系统的协同性。采用无线网络通信技术、自动控制技术和综合布线技术等，合理配置实验室的教学资源，满足教师教学指导和学生实验探索的需求。这为实现实验室设备的共享和联合做好了充分准备。通过模拟不同实验活动情景进行仿真，可以建立一个信息化的实验室环境，并利用科学的网络拓扑结构，进一步提高实验室仪器设备的使用效率[6]。

3 物联网+大数据技术下实验室建设策略

3.1 RFID技术在实验室建设中的智能化管理应用

在物联网+大数据技术的背景下，实验室建设具有良好的前景。其中，R FI D技术的科学应用可以有效地实现实验室仪器设备和物资的统一管理。根据实验室设备建设管理需求，可以实施分类管理计划，并利用RFID技术对仪器设备和实验室物资进行编号并上传至实验室管理系统数据库，以便于科学管理。通过采用RFID技术，实验室可以实现对设备的开启、使用、进出和定位等细节进行数据处理和记录。这样，实验室内部的数据管理模式得到了优化，提高了实验室材料的管理水平，同时也保障了实验室设备的安全性。RFID技术的智能化管理在实验室建设中发挥着重要作用。

3.2 应用实验室开放预约系统技术

在实验室的建设过程中，要将物联网+大数据技术应用到实验室的建设中，以实验室的开放性与学生的自主实验等需要为依据，利用大数据技术，建立一个网络预约平台，为学生、教师等提供网络预约服务。教师与学生可以根据自身需求，预约实验室使用时间，这样就可以做到实验室仪器设备错峰使用，有效地完成实验活动，缓解实验室仪器设备使用矛盾，提高空仪器设备使用率，充分发挥出实验室利用价值[7]。

另外，实验室建设在物联网+大数据技术的推动下，也打破了以往的局限。现在，网络技术和实验计划等业务可以纳入实验室预约的流程中。同时，在实验室设备的使用和管理过程中，建立了严格的实验室安全管理体系，以确保按规定进行操作，并对仪器设备的使用进行责任追查。

物联网+大数据技术的应用还体现在信息管理系统的建设上。借助实验室智能化建设，利用网络预约服务平台作为载体，实时管理实验室信息。预约信息经过主动审核后，申请者可以获得预定好的实验室使用时间。在使用实验室时，申请人员必须重视实验室管理，特别是对使用人员操作行为和仪器设备安全的关注。需要及时设置使用权限，并配合实验室门禁管理，以确保实验室预约服务与设备使用的安全性。

3.3 实验室监控系统的建设应用

在实验室监控系统的设计与建设中，主要利用ZigBee技术，构建实验室智慧监控系统。实验室监控系统组成具体详见图1。

图1 实验室监控系统设计框架图

实验室智慧监控系统的核心设计基于ZigBee协调器，根据实验室监控需求，设置ZigBee终端，划分多个模块，对实验室进行全方面监控。实验室智慧监控是监控系统，主要包括以下模块。

（1）主控CPU模块：在该模块中ARM内核是关键，目前实验室智慧监控系统常用的CPU内核芯片包括两种，其一为ST公司生产制造的ARMCortex-M3芯片，其二为三星ARMCortex-A8芯片，本文中的实验室监控系统芯片为ST公司生产制造的ARMCortex-M3芯片。

（2）ZigBee模块：目前市场上最广泛应用的芯片类型是2.4 GHz，如UBEC、TI/Chipcon以及Jennie，ZigBee无线网络中的ZigBee模块中应用最普遍的芯片是CC2430、CC2530[8]。

（3）传感器模块：传感器是智能监控系统运行的重要组成部分，利用传感器可及时采集实验室现场环境数据并将其存储至管理数据库，方便实验室管理人员查询与提取。实验室智慧监控系统配备了多种传感器，包括红外传感器、烟雾传感器和温湿度传感器等，实时采集实验室周围环境数据，对实验室烟雾环境、温湿度变化等进行监测。

除了上述模块，在实验室智能监控系统中，还设置了门禁模块、串口与RFID模块等，这些模块可以让实验室监控全覆盖，以此来扩大实验室监控范围，让实验室实时监测成为可能，确保实验室安全运行。

通过融合物联网+大数据技术，并升级监控系统，实验室智慧监控得到了进一步完善。新加入的智能视频功能提高了监控系统的能见度，使监控系统成为实验室管理和建设中的重要组成部分。使用智能视频技术，可以随时了解实验室现场的情况，并方便进行远程监控。考虑到实验室每天进出人员众多、开放性、创新性和共享性等特点，智能化的视频监视技术能够获取实验室内各种数据，并为学生的实验操作提供良好的指导。在此基础上，利用可视化的智能技术，能更好地预警并处理实验室可能出现的危险和隐患。

3.4 实验室数据库建设与智慧实验教学设计

在实验室建设过程中，物联网+大数据技术涉及到数据库建设和智能实验教学设计。首先，数据库在实验室管理、设备物质信息存储和实验数据整理等方面起到重要作用。通过物联网+大数据技术，实验室可以建立智能数据库。利用大数据技术，实验室可以及时整理和记录人员信息、场地信息、使用记录和实验情况，并将其实时存储到数据库中，方便管理者进行信息查询和管理。此外，数据库还可以对实验室的仪器设备和实验物资进行详细记录，包括使用变动和运行情况，为仪器设备的检修和实验物资的采购提供参考，并帮助提高实验室管理水平。其次，智慧实验教学的设计基于物联网技术+大数据技术，通过设计实验教学网站并以学生学习需求为依据，制定实验教学计划并合理利用实验室资源。这不仅保证了实验教学的顺利展开，还有效培养了学生的实践能力。实验室对网络上的学习信息进行整理，并根据这些信息科学调整实验教学计划，提高了实验室教学资源的使用效率。

4 结束语

综上所述，利用物联网+大数据等技术，对实验室的建设可行性进行了验证。尤其在智慧校园的发展背景下，实验室建设需要紧跟时代步伐，进行智慧化建设，不断提升实验室管理的信息化水平，以适应新形势的发展需求。

通过构建实验室智慧监控系统，特别是应用智能视频技术，可以提升实验室监控管理的质量。同时，科学地应用RFID技术来管理实验室设备，灵活预约实验室，建立实验室智能数据库和智慧实验教学体系，实现实验室仪器设备的有效使用，最大化实验室教育的价值。这些措施为实验室建设提供了新的发展方向和机遇。■