基于物聯網的智能實驗室研究

伍星鑫　李佳音　陳婷

摘 要：本文結合高校實驗室現狀，針對傳統實驗室設備、人員和環境等存在的問題，提出構建一個基于物聯網的智能實驗室，從硬件和軟件兩方面提高實驗室的利用率和安全性。當前，要充分利用物聯網和互聯網技術，加強實驗室設備的內部聯系，進行信息交換和通信，提高實驗室的利用率和智能化水平。

關鍵詞：物聯網;智能實驗室;射頻識別;ZigBee

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0033-02

Research on Intelligent Laboratory Based on Internet of Things

WU Xingxin LI Jiayin CHEN Ting

（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Based on the current situation of university laboratories and the problems existing in traditional laboratory equipment， personnel and environment， this paper proposed to build an intelligent laboratory based on Internet of Things， which improved the utilization and security of the laboratory from both hardware and software. At present， it is necessary to make full use of the Internet of Things and Internet technologies， strengthen the internal links of laboratory equipment， exchange information and communication， and improve the utilization rate and intelligence level of laboratories.

Keywords： Internet of Things;intelligent laboratory;Radio Frequency Identification （RFID）;ZigBee

高校實驗室是提高學生實踐、創新能力的重要實踐環境，在高校日常教學中的作用和地位是無法代替的。所謂智能實驗室，是指將物聯網技術應用于實驗室的設備和管理上[1]。物聯網是指通過RFID（射頻識別）、WIFI（無線網絡）、ZigBee（無線傳感器）和GPS（定位系統）等設備傳感器，按照預先約定的協議，把各物品和互聯網連接起來，進行信息采集、信號傳輸與交換以及通信處理，對連接到網絡的對象進行智能識別、跟蹤、監視、定位和管理[2，3]。

基于物聯網的智能實驗室最主要的目的就是利用物聯網技術打造智能化的實驗室。智能實驗室依托智能化系統，分析和處理傳感器等硬件采集到的數據，然后反饋給相關硬件設備，使其改變狀態，將重要數據反饋至管理者。智能實驗室分為四個模塊，即采集模塊、傳輸模塊、處理模塊和應用模塊，如圖1所示。

1 采集模塊

物聯網通過各類RFID（射頻識別）、溫濕度傳感器、

光線傳感器、門禁、攝像頭、定位系統（GPS）、智能化節能設備和智能化考勤設備等，采集實驗室溫濕度、亮度、能耗和實驗設備狀態等數據。RFID作為物聯網獲取信息的傳感設備，采用非接觸式自動識別技術進行數據的雙向通信，利用無線射頻方式對電子標簽或射頻卡進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的。其中，低頻RFID設備可用來識別身份等，高頻RFID設備可通過多標簽識別技術應用在實驗設備管理中。

對溫濕度和光線有一定要求的實驗室，可以通過設置對應的數值，輔以空調、燈光等將實驗室環境調控至理想環境;采用門禁，可有效防止校外無關人員進入實驗室;攝像頭的布置安裝需提前設計好角度，形成一個既可以監控實驗室全部空間，又可以對部分地方進行特寫的布局;對于貴重試驗儀器設備，可在其中安裝GPS芯片，防止被盜造成損失;智能化節能設備可在實驗室無人使用的狀態下關閉所有設備，達到節能效果;智能化考勤設備可以記錄學生試驗情況和教師出勤情況。

2 傳輸模塊

數據傳輸在智能實驗室建設中具有承上啟下的作用。實驗室中所有傳感器采集到的數據和個人終端產生的控制數據必須經過傳輸模塊傳送到處理模塊進行處理。其中，ZigBee（也稱紫蜂）網絡由協調器、路由節點和終端節點三部分組成，可構成樹型、星型和網狀拓撲結構，根據應用場合不同，選擇合適的網絡平臺。在計算機實驗室環境下，由于區域小，故采用星型網絡，星型網絡拓撲結構中，路由節點和終端節點可以直接與協調器進行通信，該拓撲結構控制和同步簡單，對于無源傳感器或有源傳感器都有著良好的適用性，同時也可以保證數據的傳輸速度。利用WLAN（Wireless Local Area Network）通信技術，可將實驗室內不同設備、傳感器所發送的信息集中起來，傳送到處理模塊。當使用者未在實驗室時，則需使用個人終端利用3G、4G或5G網絡對實驗室進行查詢和控制等操作。

3 執行模塊

人工智能實驗室的管理系統支撐著人工智能實驗室，處理來自多方的數據信息并給出處理結果。智能實驗室管理系統面向的對象主要是學生、教師、實驗室管理員和系統管理員。學生可以進入智能平臺查詢實驗室信息、相關設備信息和試驗內容等信息。教師可以通過智能平臺查詢實驗課信息、試驗儀器相關參數、學生試驗情況和試驗設備報修等內容。實驗室管理員將學生、教師、設備、試驗用品等信息錄入系統，根據實際情況及時將各類信息同步至智能系統中，供學生、教師查詢最新實驗室相關信息。系統管理員根據實驗室的建設和更新，及時增加系統中相應功能，設置學生、教師、實驗室管理員的相關權限，對系統定期進行維護。

智能系統需處理來自實驗室的各類傳感器數據，并將實驗室信息公開供學生、教師查詢，實現開放式功能。學生根據信息調整相關試驗計劃和試驗時間等，教師可以通過個人終端設備，提前將實驗室環境設置到教學所需要的數值，申請教學所需設備、試驗用品等。智能管理系統可以將整個學校的試驗實訓設備整合，實現資源共享，形成開放式實驗室，從試驗時間、試驗項目、試驗儀器的選取到方案的制訂、項目的實施等，讓學生自主完成。

4 應用模塊

采集、傳輸和處理模塊最終服務于應用模塊。依靠前面三個模塊的控制和計算結果，實驗室的智能性才可以凸顯。智能實驗室可以對實驗教學、實驗資源、實驗環境、實驗安全和實驗能源等進行可視、集中、高效的管理。

實驗教學智能化主要是通過物聯網技術設計一套全方位的教學方案，解決課下學生無法進行實驗的問題，并制定課堂考勤方案，提高教學質量、教學效率。實驗設備智能化通過物聯網技術設計一套實驗設備智能化管理方案，降低實驗室設備的丟失率和損壞率，提高實驗設備的利用率，讓實驗設備智能化。實驗環境智能化可以對實驗室錯綜復雜和多變的環境集中進行可視化管理，教師或者管理員按照規定的環境要求對實驗室環境進行調控。實驗安全智能化利用傳感器網絡覆蓋結合視頻監控，全方位監控實驗室安全，通過智能實驗室管理系統準確定位存在的問題并進行智能化處理，同時將信息發送至實驗室管理員終端設備。實驗能源智能化即通過智能實驗室管理系統的計算處理結果，相應調控實驗設備狀態，達到節能減排、降低成本的目的。

5 結論

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，同時也是未來信息產業競爭的制高點，是智能產品升級的核心競爭力。基于物聯網的智能實驗室為學生和教師上實驗課帶來了極大的便利，但同時還存在一些問題，需要人們進行更深層次的研究和探索。隨著物聯網的不斷發展，基于物聯網的智能實驗室將不斷更新和應用，從而提升師生對智能實驗室的體驗感和認同感。

參考文獻：

[1]倪鵬.基于物聯網的實驗室智能化管理系統的研究[J].吉林省經濟管理干部學院學報，2014（10）：27-29.

[2]周春月，閆子淇.基于物聯網技術的智慧實驗室架構研究[J].實驗室研究與探索，2014（5）：239-243.

[3]李紅麗，馬耀鋒.基于物聯網技術的智能實驗室管理系統[J].福建電腦，2017（12）：30-31.