基于物聯網的遠程實驗室系統架構設計

于翔+吳夢軒+張勁中+邢益軒+趙海濱

摘 要：介紹了基于物聯網技術的遠程操作應用系統的設計方法。該系統由虛擬化系統與計算機控制儀器組成，可提供遠程儀器使用服務。采用該系統能降低試驗成本，使實驗室中的儀器通過互聯網獲得廣泛利用，并通過小規模平臺建設來驗證關鍵技術環節的可行性。

關鍵詞：虛擬化；物聯網；遠程實驗室

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0080-03

0引言

采用虛擬化操作系統能夠對遠程計算機控制的儀器實現現場操作，通過基于網絡技術與電子技術的相互結合，提高了實現過程的自動化程度，進而大大減少了人員及儀器調度形成的時間浪費，有效的提高了實驗過程中時間的利用效率。儀器設備要接入信息化實驗系統平臺就需要具備計算機可控或數據可采集的功能。通過將儀器的計算機輔助功能加入到實驗平臺中，信息化實驗平臺對儀器進行操控和數據采集，完成計算機輔助功能的資源有效合理的進行分配和調整。實驗平臺以硬件虛擬化層作為其基礎，虛擬化層的軟件架構需要實現對實驗操作平臺的計算機資源進行統一的管理，本實驗平臺的虛擬化層主要采用VMware vShpere構建。實驗平臺還有需要完成對實驗設備的數據傳輸和控制，所以要在虛擬化層上建立數據傳輸層。接入實驗平臺的儀器設備需要具備連接計算機的功能，而目前多數的實驗設備已經具備了數據保存和計算機輔助操控的功能。

相比傳統的實驗方式，采用物聯網技術的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設備能夠借由遠程實驗平臺通過網絡通過給來自不同系統的科研人員使用，為科研實驗水平的整體提升創造了堅實的物質基礎。由此推斷，物聯網技術必將成為未來的高校或科研院所實驗室建設的必然基礎。

1系統設計原理

該系統采用模塊化設計，通過虛擬化技術整合多平臺傳感器系統，并利用無線網絡技術實現數據遠程傳送。系統主要包括信息采集系統、數據緩存和傳送系統、數據庫及存儲系統和數據處理應用平臺系統。圖1所示是其系統結構圖。

圖1系統結構圖

在圖1中，信息采集系統主要是指具有網絡功能的檢測傳感器，例如：BOD、葉綠素等在線檢測設備。這些設備可以通過網絡將數據發送到遠程計算機。因此，根據這個特點，在系統中設計了一個數據緩存和傳送系統，這個系統和采集系統一起構成現場環境監測系統設備。現場設備結構圖如圖2所示。

圖2硬件系統關系圖

作為信息采集現場系統統一的供電系統設計與統一的聯動控制裝置，在管理上能簡化管理流程與設備運行流程，同時與局域網數據傳輸系統構成一個低層的信息采集傳感器硬件運行環境，最大限度提高各個傳感器的工作效率與穩定性。

在這個環境里實驗目標采集將統一被現場設備管理系統操作，按照時序啟動傳感器設備進行水樣分析，每一個傳感器獨立運行于各自系統進程內將采集上的數據通過有線局域網絡保存到數據緩存服務器中，由數據緩存服務器通過無線網絡設備將采集數據打包后定時傳送到遠程服務器端。

數據緩存服務器采用服務器端虛擬化技術針對不同的數據采集端（RFID）虛擬對應操作系統，允許對應的應用程序在系統中運行，從而在一臺緩存服務器中獲得多個虛擬應用方便終端管理和遠程維護，同時節省大量電力資源。

2系統關鍵技術實現

系統采用客戶端/服務器端架構，數據采集端（RFID）作為檢測設備，數據處理中心集中對數據進行處理，將現有的公用無線網絡作為數據物理傳輸基礎，同時以邏輯網絡加密等手段來保證數據傳輸過程中的安全。實驗平臺的網絡系統建立在硬件虛擬化平臺的基礎之上，能夠遠程完成對終端實驗設備的數據采集工作、實驗控制及維護。

圖3所示是本系統平臺的設計原理。系統的組成主要分為三層：物理傳輸層、邏輯網絡層和網絡應用層。

圖3系統平臺設計原理

在圖3中，檢測系統的基礎物理網絡使用的是目前已經普遍試用的并且性能穩定的無線網絡。采集端采集到的數據通過物理網絡傳輸到遠程中央數據處理中心進行數據處理并獲得結果。數據處理中心的主要數據交換設備主要采用傳統的有線方式進行鏈接，數據可以通過Internet網絡進行傳輸。

在系統的邏輯網絡設計中，檢測采集設備與數據中心之間采用客戶端/服務器端的系統架構建立起通信關系。數據中心為了保證數據在傳輸過程中的安全，系統通過VPMN（虛擬移動專網）在Internet或公用無線網絡中建立通道。為了將不同功能的運算集群有效地進行邏輯網絡劃分，數據中心采用屬性與總線型混合網絡拓撲設計整合HPC計算集群與分布式網絡存儲，同時系統的擴容與容錯能力又能以總線型的方式實現，有效利用了分布式系統的特點。

在網絡應用層設計中的應用實現的基本技術是部署虛擬化技術（VMware vShpere），Windows平臺或FreeBSD平臺將會部署于在基于虛擬系統層IAAS之上。而Windows HPC與Hadoop軟件將根據各自不同的特點部署到不同的操作系統平臺上去。例如：API接口系統，根據其設計程序XML+Java在系統平臺上的工作效率將其部署到Linux系統上。同時可以利用Linux的開源特性，將不同的被監控信息平臺數據庫據其特點部署在不同版本的Linux系統上，并可以實現.net平臺上的信息管理平臺與被檢測平臺數據庫的對接。

通過數據緩存服務器上傳的數據通過中間件服務器管理系統（API）轉化為統一的數據格式進行儲存，本系統選擇Excel格式保存數據，主要針對采集數據量大且通過Windows HPC并行計算集群對數據加以快速計算處理。

設計思想源于企業ERP系統的URP聯合資源計劃（Union Resource Planning）通過建立統一的接口標準和信息平臺使得各個應用系統信息服務以一種松散耦合的方式集成在一起。各應用系統擁有自己的獨立數據結構和數據庫，各應用系統為客戶端用戶提供服務的方式是通過接口程序與信息平臺進行對接，對于每個用戶只需要試用一個唯一的ID號碼登錄URP信息平臺，就能夠調用對應部署在其它應用系統中所需要的功能。而各個應用系統只是通過URP登錄平臺集成給客戶端用戶，它們從物理到邏輯上彼此可能是相對孤立的，這種方式具備良好的靈活性。

圖4所示是URP平臺管理的機制流程，用戶首先通過唯一的ID登錄URP平臺，向平臺申請所需的功能服務。同時URP平臺的監控中心響應登錄平臺的用戶，并開始記錄該ID在平臺能的操作（即訪問路徑），然后對平臺的訪問狀況進行即時統計。系統管理員可以依據軟件監控與流量監控的結果結合實際情況進行調配工作，以滿足系統的硬件需求。

圖4URP平臺管理的機制流程

應用服務程序可通過URP平臺針對用戶需求調用不同數據，然后將處理結果提供給終端用戶。海洋環境評價軟件將根據國家水質標準從系統數據庫中調用相對應數據類型進行分析，獲得結果后可發布實驗結果。

數據庫采用分布式數據庫設計，針對不同終端采集的數據以終端種類為單位進行庫設計，采用統一的數據格式并將歷史數據保存到分布式數據庫系統中。而不同終端采集上來的數據由于數據格式的不同，因此需要在中間件系統中對數據進行格式處理。不同格式的數據由數據緩存服務器上傳到中間件系統后，所有數據格式將被統一保存為Excel格式數據。

3結語

基于物聯網的遠程實驗室系統能夠更有效的提高時間和設備的利用率，通過結合網絡技術和電子技術，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯網遠程實現平臺的效率基礎是遠程控制和系統化管理，硬件虛擬化技術的試用從平臺穩定性的角度上給予了保障。在平臺應用實踐過程中，我們發現該平臺可以實現對實驗人員和設備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統的實驗方法，采用物聯網技術的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設備能夠借由遠程實驗平臺通過網絡通過給來自不同系統的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯網技術將成為未來高校和科研院所的實驗室建設必須具備的基礎技術之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術降低分布式存儲系統部署成本[J].中國教育網絡，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯網的實驗設備管理系統的研制成本[J].電氣電子教學學報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數字化城市資源綜合應用物聯網信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數字化校園物聯網信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯網的數字化校園建設研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃基金資助項目（201310792009）

Design of remote laboratory system based on Internet of Things

YU Xiang, WU Meng-xuan, ZHANG Jin-zhong, XING Yi-xuan, ZHAO Hai-bin

(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory

3結語

基于物聯網的遠程實驗室系統能夠更有效的提高時間和設備的利用率，通過結合網絡技術和電子技術，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯網遠程實現平臺的效率基礎是遠程控制和系統化管理，硬件虛擬化技術的試用從平臺穩定性的角度上給予了保障。在平臺應用實踐過程中，我們發現該平臺可以實現對實驗人員和設備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統的實驗方法，采用物聯網技術的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設備能夠借由遠程實驗平臺通過網絡通過給來自不同系統的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯網技術將成為未來高校和科研院所的實驗室建設必須具備的基礎技術之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術降低分布式存儲系統部署成本[J].中國教育網絡，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯網的實驗設備管理系統的研制成本[J].電氣電子教學學報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數字化城市資源綜合應用物聯網信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數字化校園物聯網信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯網的數字化校園建設研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃基金資助項目（201310792009）

Design of remote laboratory system based on Internet of Things

YU Xiang, WU Meng-xuan, ZHANG Jin-zhong, XING Yi-xuan, ZHAO Hai-bin

(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory

3結語

基于物聯網的遠程實驗室系統能夠更有效的提高時間和設備的利用率，通過結合網絡技術和電子技術，使實驗過程中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯網遠程實現平臺的效率基礎是遠程控制和系統化管理，硬件虛擬化技術的試用從平臺穩定性的角度上給予了保障。在平臺應用實踐過程中，我們發現該平臺可以實現對實驗人員和設備工作實踐的合理安排，遠程功能完全可以實現工作人員在辦公室即可完成大量科研實驗任務。該平臺有效降低了實驗成本，相比傳統的實驗方法，采用物聯網技術的遠程實驗平臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些稀有和昂貴的實驗設備能夠借由遠程實驗平臺通過網絡通過給來自不同系統的科研人員使用，從而有利于我國科研水平的整體提高。由此看來，物聯網技術將成為未來高校和科研院所的實驗室建設必須具備的基礎技術之一。

參 考 文 獻

[1]于翔.虛擬技術降低分布式存儲系統部署成本[J].中國教育網絡，2012（4）： 53-54.

[2]陳天福，潘玲蓉，宋鐵成，等.基于物聯網的實驗設備管理系統的研制成本[J].電氣電子教學學報，2012，34（5）：41-44.

[3]王玉璐，于翔，孫越然，等.基于云計算集群的數字化城市資源綜合應用物聯網信息平臺[EB/OL].http：// et430.com/?p=410，E想天開工作室，2011.11

[4]億海銘客服. 基于云計算的數字化校園物聯網信息平臺研究[EB/OL].[ 2013-06-27]. http：//yhmit.com/info.asp?id=287.

[5]王晶姝. 基于物聯網的數字化校園建設研究[J]. 軟件工程師， 2012（3）： 42-44.

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收稿日期：2014-03-21

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃基金資助項目（201310792009）

Design of remote laboratory system based on Internet of Things

YU Xiang, WU Meng-xuan, ZHANG Jin-zhong, XING Yi-xuan, ZHAO Hai-bin

(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Abstract: Design method of the remote operating application system based on Internet of Things is introduced in this paper. The system is composed of virtualization system and computing control instruments, and can provide operation service for remote instruments. Its application can reduce experimental cost. It can make the equipments in laboratory to be widely used through Internet. The feasibility of its key technologies was verified by establishment of a small-scale platform.

Keywords: virtualization; Internet of Things; remote laboratory