物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下的智慧實驗室架構(gòu)分析

朱振杰

山東大學(xué)機械工程學(xué)院機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心（山東大學(xué)） 山東 濟南 250061

引言

高校實驗室日常應(yīng)用的過程中所需承載的教學(xué)任務(wù)較為繁重，同時實驗室所開展的教學(xué)活動是高校組織學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)的重要方式。在高校校園信息化建設(shè)持續(xù)深入的大背景下，高校實驗室的信息化水平得到了顯著的提升與發(fā)展，智慧實驗室應(yīng)運而生。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實驗室的功能需求分析

1.1 環(huán)境感知需求

在高校智慧實驗室的運作過程中，實驗室操作的安全性與個性化控制的數(shù)據(jù)均來自系統(tǒng)收集到的實驗室環(huán)境參數(shù)，智慧實驗室對于環(huán)境感知的具體需求主要包括普通物理感知、光照環(huán)境感知、氣體環(huán)境感知和實驗室設(shè)備感知等多種感知需求，此類的感知數(shù)據(jù)均由智慧實驗室所安裝的傳感器來進行感知與上傳，并通過實驗室內(nèi)部所配置的有線或是無線網(wǎng)絡(luò)來進行數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)層的傳輸。

1.2 視頻功能需求

在現(xiàn)階段高校智慧學(xué)習(xí)的應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員往往會在各個實驗室安裝多個攝像頭來進行實驗室視頻數(shù)據(jù)的攝像頭采集，攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)則會通過專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街腔蹖嶒炇业拇髷?shù)據(jù)模塊，管理人員則可通過大數(shù)據(jù)模塊的計算機或是手機終端來實時觀看和掌握每間智慧實驗室的運作情況，如師生的活動情況和各項軟硬件設(shè)備的運作情況等[1]。

1.3 智能控制需求

由于各個智慧實驗室都安裝了氣體、煙氣、溫度和濕度等指標(biāo)的傳感器與控制器，因此控制系統(tǒng)需要通過傳感器和控制器來智能監(jiān)控與控制之后顯示中的各類物理指標(biāo)，同時應(yīng)通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)來綜合分析和操控實驗室各設(shè)備的運作狀態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)分析需求

在智慧實驗室傳感器信息上傳和分析的過程中，管理員可充分利用傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來統(tǒng)計與分析實驗室各軟硬件的使用狀態(tài)與使用進度，同時智慧傳感器平臺自身也可通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)狀況來判斷設(shè)備和系統(tǒng)是否存在異常，進行自動預(yù)警與報修操作。

1.5 通信需求

智慧實驗室控制系統(tǒng)的計算機和手機終端都應(yīng)能夠通過智慧實驗室的無線節(jié)點接入到平臺的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，教師才可在此基礎(chǔ)上有序調(diào)動學(xué)生間與師生間的無線通信與交互。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實驗室的架構(gòu)設(shè)計

2.1 感知層

智慧實驗室的感知層是實驗室控制系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的主要來源，系統(tǒng)運作的主要目的就是對智慧實驗室運作過程中的海量數(shù)據(jù)進行全方位的感知，因此相關(guān)操作人員必須全方位分析智慧實驗室實體感知層的實際需求與最終信息的傳輸需求，合理選擇傳感器與控制器的類別與型號。

感知層主要分為數(shù)據(jù)感知節(jié)點和控制節(jié)點這兩部分，數(shù)據(jù)感知節(jié)點主要包含人臉識別、物理數(shù)據(jù)傳感和定位監(jiān)測等數(shù)據(jù)信息的感知與采集，數(shù)據(jù)控制節(jié)點則主要負責(zé)接收這些是用戶層面或是軟硬件應(yīng)用層面?zhèn)鬏數(shù)南到y(tǒng)指令，可借助信息傳輸來完成插座供斷電、多媒體自動化遠程控制和其他軟硬件的自動控制操作。

除此之外，感知層所應(yīng)用的智能讀卡器和人臉識別系統(tǒng)能夠充分利用智能實驗室的用戶信息來進行用戶個體的考勤與操作管理，同時也能夠全方位記錄學(xué)生的實驗情況和學(xué)習(xí)情況。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

智慧實驗室的網(wǎng)絡(luò)層主要是借助無線信號、有線網(wǎng)絡(luò)和WiFi等來為智慧實驗室內(nèi)部與外部的通信提供網(wǎng)絡(luò)支持，能夠有效保障感知層與數(shù)據(jù)層等各層間網(wǎng)絡(luò)通信的順暢性，同時也面向各智慧實驗室用戶提供通信服務(wù)。

2.3 大數(shù)據(jù)層

智慧實驗室的大數(shù)據(jù)層主要負責(zé)接收感知層傳輸至數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)，而后對這部分數(shù)據(jù)進行綜合的分析挖掘和同構(gòu)化處理，并將數(shù)據(jù)操作與處理的結(jié)果傳輸至應(yīng)用層，并在此過程中將接收到的基礎(chǔ)設(shè)施異常情況進行自動化的分析與傳輸。

2.4 應(yīng)用層

智慧實驗室的應(yīng)用層主要包括實驗室系統(tǒng)的集成與遠程控制平臺，集成平臺主要將實驗室的軟硬件設(shè)備、用戶與實驗數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行集成化處理，并在數(shù)據(jù)高度共享的基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)的正常化運作閾值，同時在此基礎(chǔ)上生成實驗室使用情況和學(xué)生學(xué)習(xí)情況的匯總表，能夠為智慧實驗室的個性化教學(xué)提供準(zhǔn)確支持。

2.5 用戶層

智慧實驗室的用戶層主要通過計算機和手機終端等設(shè)備來進行用戶操作的完成與傳輸，教師和學(xué)生能用戶都能夠通過用戶層來進行軟硬件設(shè)備的預(yù)約和信息數(shù)據(jù)的分析，同時智慧實驗室的管理人員也能夠通過用戶層來查看和分析智慧實驗室的管理與操作軟硬件狀態(tài)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視角下智慧實驗室的應(yīng)用方案設(shè)計

相關(guān)工作人員可結(jié)合智慧實驗室Zig Bee協(xié)議的應(yīng)用實況來設(shè)計實驗室的網(wǎng)絡(luò)拓撲，在相應(yīng)的位置設(shè)置感知節(jié)點、路由器和網(wǎng)關(guān)，同時在智慧實驗室的環(huán)境感知層設(shè)置各類物理數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在自動控制層設(shè)置實驗室軟硬件的自動控制網(wǎng)絡(luò)，同步應(yīng)用RFID技術(shù)來整合智慧實驗室的固定資產(chǎn)與資源。

與此同時，還應(yīng)構(gòu)建與智慧實驗室相對接的教學(xué)共享平臺子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可根據(jù)這個實驗室傳輸?shù)挠芯€與無線信息來實時查詢與分析每個學(xué)生的參與學(xué)習(xí)情況，進而基于此來為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)狀態(tài)分析。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念的基礎(chǔ)上設(shè)計了海量數(shù)據(jù)采集與信息處理的智慧實驗室技術(shù)思路，構(gòu)建了智慧實驗室的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、大數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層這五層實驗室架構(gòu)，在智慧實驗室操作系統(tǒng)的完善與建設(shè)方面具有良好的參考價值。