基于信息深度融合的智慧型實驗室管理系統

朱俊杰， 李 勇， 鄭志安， 寧重陽， 何明芳， 黃海燕

（中南林業科技大學計算機與信息工程學院，長沙410004）

0 引 言

實驗教學一直是高校人才培養的重要支撐，尤其是面向理工科人才培養的關鍵環節。如何提高實驗室的利用效率與管理水平以適應當代高校創新型人才培養的改革需要，已成為各高校急需解決的重要課題。人工管理是傳統實驗室管理中的核心部分，實驗室的日常運行需要相關管理人員耗費大量時間進行監管。對于管理人員來說存在諸多不便，對實驗室信息的獲取也缺少實時性。隨著高等教育的不斷普及，學生增多使得學校實驗室面臨管理難度更大、管理效率不高的難題［1-3］。對于學生來說，傳統實驗室固定時間固定地點的使用方式也造成了教學資源的閑置，學生的需求沒有得到滿足。而現有提出的一些信息化實驗室管理系統基本上都采用有線型的數據傳輸方式，線路安裝十分復雜，而且容易損壞、安全性不高［4-6］。這類管理系統還存在著資源消耗大、經濟成本高、不易推廣等弊端，針對以上問題本文設計了一套基于信息深度融合的智慧型實驗室管理系統，高度實現了對高校實驗室的開放性、智能化管理。

1 系統總體方案設計

智慧型實驗室管理系統總體拓撲劃分為無線傳感器網絡、網關、服務器和手機APP等4個部分。系統整體結構框圖如圖1所示，通過各類傳感器節點實時采集實驗室內部數據，再由無線傳感器網絡和WiFi模塊無線傳輸至云平臺與各種數據庫信息深度融合，整合出精確、實用的反饋信息，下傳至底層節點，如此循環構成一個穩定、可靠的智慧型實驗室管理系統。

圖1 智慧型實驗室管理系統結構框圖

無線傳感器網絡通過ZigBee將實驗室中實時采集到的環境數據回傳至網關，并完成對各類設備的控制［7-10］。數據在網關進行處理后通過WiFi無線傳輸到服務器，服務器層利用數據庫存儲分析主控平臺的數據，同時顯示在手機APP界面上。管理人員、任課教師或學生在手機APP上進行操作，數據庫會存儲相關行為數據。服務器通過預先設定，分析數據庫的變化，隨后主控平臺會收到服務器發送的相應命令，進而實現實驗室的自主預約、故障上報等APP功能［11-16］。

系統實現功能如圖2所示，主要包括實驗室安防與監控、網絡層大數據分析與統計、手機APP等三大模塊。學生和管理人員可以通過手機APP產生數據信息和訪問數據信息；學生可以在APP上隨時隨地預約實驗室進行實驗；實驗室無需值班人員，學生預約成功后刷卡即可進入實驗室；實驗室電源為即開即用，學生進入實驗室后在對應實驗臺上刷卡即可打開實驗電源開始實驗；在實驗過程中，學生發現實驗儀器故障問題也可以通過手機APP上報，管理人員可以實時監測實驗室各類重要數據指標，當發生緊急情況時，警報會拉響，提醒管理員去處理；教師可以通過手機APP自主開放實驗室和查看學生實驗記錄等。

圖2 智慧型實驗室管理系統主要功能

2 系統平臺搭建

2.1 無線傳感器網絡拓撲結構

圖3為系統屬性網絡拓撲結構圖，圖4為系統硬件平臺結構圖。無線傳感器網絡采用樹型網絡拓撲結構，其中協調器以網狀方式連接著大量路由器和終端，該技術優勢在于被連接的路由器也可以連接其他路由器和終端節點，這樣的網狀結構便于之后的系統擴展與故障診斷，并且當系統需要增加節點時，方便對系統進行修改。在產生故障時，也方便快速檢修。無線傳感網絡主要由協調器、路由器以及終端節點等三大部分組成。

圖3 系統樹型網絡拓撲圖

圖4 系統硬件平臺結構圖

2.2 協調器和路由器

智慧型實驗室管理系統核心協調器為ZigBee網絡。ZigBee主要負責環境信息的采集和電源控制部分，通過ZigBee終端節點采集與其連接的傳感器數據，并由ZigBee路由節點匯集到協調器。該協調器主要是充當管理者的作用，主要功能是創建一個可靠網絡、發送網絡信標、管理網絡節點以及儲存網絡節點中的信息。路由器在搭建的系統中的作用是關聯其他節點，起到轉發的功能。

2.3 終端節點

終端的功能是通過各端口與外設相連接。終端將實時獲取到的環境參數等數據通過無線發射器發送到協調器。另外，終端在必要時會將控制命令實時發送給其他終端節點。如圖4所示，終端節點共分為門禁節點、設備開關類節點（燈節點及空調節點等）、傳感器節點、實驗臺節點和信息顯示及警報節點類，各類節點均由CC2530與外設組成，且放置在實驗室的不同位置。

（1）傳感器節點。如圖4所示，傳感器節點由CC2530芯片模塊搭配溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、紅外熱釋傳感器等模塊組成。其中溫濕度傳感器模塊用于監測實驗室環境溫度，溫度參數是環境監控中重點監控的數據，不僅反映了環境的變化，而且還是可燃氣體傳感器和火焰傳感器的重要參考數據；氣體傳感器模塊用于檢測實驗室內有毒有害氣體及煙霧情況，當檢測到的濃度大于設定的濃度時，會啟動警報，并將警報信息通過無線傳感網絡傳至網關；紅外熱釋傳感器模塊的主要作用是監測實驗室內是否有人。此節點放置在實驗室內天花板處。

（2）門禁節點。如圖4所示，門禁節點硬件結構由CC2530芯片模塊、RFID模塊和開關模塊等組成。RFID模塊用來實現身份認證，學生將持有的射頻卡向RFID模塊請求驗證，RFID將收到的學號發回服務器，與數據庫信息進行對比驗證。數據在服務器端驗證通過后，系統會為該學生解除門禁。

（3）開關類節點。如圖4所示，開關類節點分為燈節點、空調節點、儀器電源節點等。其作用是在接收到其他節點的控制指令后，控制設備的通電狀態。比如當門禁打開時，門禁節點會向開關類節點發送控制類指令，打開實驗室燈光以及空調的電源。當紅外熱釋傳感器模塊設定時間監測到實驗室無人時，該節點會通過無線傳感網絡向開關類節點發送控制指令，關閉部分設備的電源及燈光的開關，減少設備的損耗和電能的消耗。

（4）實驗臺節點。如圖4所示，實驗臺節點由CC2530模塊、RFID模塊、繼電器、藍牙模塊、警報模塊構成，在系統中起到記錄學生信息、設備安防的作用。學生在實驗臺刷卡時，實驗設備自動通電，并對學生信息進行記錄。當實驗儀器超出規定范圍時，蜂鳴器發出警報。

系統采用RSSI測距算法實現設備安防功能。實驗臺節點的主藍牙芯片與安裝在實驗儀器上的從藍牙芯片形成電子圍欄，以主藍牙芯片收集到的信號強度RSSI（Received Signal Strength Indication）值計算距離。計算公式（衰減模型）為

式中：P（d）為接受功率；P（d0）與n為常數；d/d0為收發單元之間的距離，該類節點安裝在實驗臺上。

（5）信息顯示及警報節點。如圖4所示，信息顯示由CC2530芯片模塊、LCD、蜂鳴器等構成，用于顯示實驗室內的實時情況，如當前人數、開放時間、室內溫度、氣體情況等。需要顯示的數據來自服務器和無線傳感網絡中其他節點，比如傳感器節點所采集到的各類數據就會發送至LCD節點處進行顯示。該節點位于實驗室一側墻壁處。顯示節點空間預覽圖見圖5。

圖5 LCD顯示節點空間預覽圖

2.4 網關設計

網關作為系統中樞，由STM32微處理器、WiFi功能芯片及外設電路等組成，實現服務器層和無線傳感器網絡數據和命令的交互。本系統網關主要用作實現與服務器層的網絡通信功能以及與無線傳感網絡的串口通信功能。為方便起見，本系統直接通過開發板上的WiFi模塊實現與服務器層的通信功能。為保證系統的穩定性，網關模塊放置在位于實驗室空間前側的專設箱中。系統硬件實物圖如圖6所示。

圖6 系統硬件實物圖

3 系統運行

3.1 軟件整體構架

本系統采用Cents OS7.4為操作系統，CPU單核主頻2 GHz、內存2 GB，環境版本為python2.7、MySQL5.7。

3.2 基于深度學習的智能推薦算法

本系統提出的智能推薦系統會記錄學生在使用APP時的操作行為與預約記錄等信息。根據以上操作信息與后臺記錄的信息，基于深度學習建立推薦模型。該模型針對不同學生的情況會預測未學習資源以及對該學生的重點關注度給出評分，根據學生參考評分，重點推薦學習資源與求職信息。

傳統的協同過濾算法主要分為三種：基于用戶、基于項目、基于模型。本系統采用了結合深度學習理論的基于模型的協同過濾算法，模型采用受限玻爾茲曼機（RBM）。基于RBM的協同過濾模型如如圖7所示。

圖7 基于RBM的協同過濾模型

該推薦模型將收集到的原始學生數據從可見層映射到隱藏層中，這一過程為編碼過程，由條件概率公式表示為：

而解碼過程為從編碼后的隱藏層中將數據再次映射回可見層中，具體實現可表示為

在解碼過程中，會得到學生已閱讀信息的評分與未學習資源的評分。系統可以依據未學習資源的評分對資源進行重新排序，隨后推薦給學生。

3.3 系統運行結果

如表1所示，根據用戶在手機端操作請求不同的動作，服務器會從大數據庫中提取不同的數據。老師可以登錄手機APP隨時查看學生的實驗考勤情況，同時網絡層對數據進行統計和分析形成各類圖表數據，比如實驗室內重要指標的變化圖、學生的實驗完成度等供用戶方便查看。

表1 系統運行結果

如圖8所示，系統所用數據庫的開發基于MySQL關系數據庫。相關信息以表的形式存儲在數據庫中，比如：學生相關身份信息、實驗室管理人員與相關教師的登入安全信息、網絡新聞信息鏈接以及實驗室的環境信息等。為實現以上功能，系統借助MySQL數據庫創建了含有4張數據表的數據庫。

圖8 部分數據統計與分析結果

系統的服務后臺使用python和sql編程，利用socket通信方式與硬件建立長連接實現數據傳輸。網絡爬蟲基于開源Scrapy庫，使用python編寫，使用學生用戶的年級、專業等信息作為關鍵字，設置24 h間隔爬取專業信息門戶網站中與用戶詳細相關的新聞信息、職位信息等，有針對性為不同年級不同專業學生推薦相應的數據信息。

4 結 論

設計了一套基于信息深度融合的智慧型實驗室管理系統，實現了對高校實驗室的開放性、智能化管理。通過無線傳感網絡信息與數據庫信息的深度融合，在保持實驗室高度開放的前提下，實現了實驗室智能安防、智能門禁、智能授權、智能推薦等智能化管理，大大提高了實驗室管理水平。同時基于ZigBee和阿里云新技術的融合增設三重認證和電子圍欄等儀器安防功能保證了實驗室開放下的安全性。基于深度學習的智能推薦算法，有效提高了學生學習效率與學習內容的針對性。以物聯網技術架構為依托的智慧型實驗室管理系統相較傳統型實驗室管理系統，經濟成本大大降低，具有較好的應用前景。