基于物聯網的智慧實驗室建設
——以電子基礎實驗室為例

楊紅，孟慶黨，雷印杰

（四川大學 電子信息學院，四川 成都）

隨著信息技術的高速發展，具有物聯化、互聯化、智能化三要素（三化）的“智慧地球”逐漸成形[1-2]。在“智慧地球”的帶領下，各類城市或園區對“智慧城市”“智慧園區”“智慧校園”等一系列衍生概念進行了實質性的建設。現代化進程中高校的智慧化建設日趨熱烈，主要有四個目標：感知數據、關聯信息、分析轉化和智慧管理[3]。高校實驗室承擔著公共基礎實驗的教學、各類專業軟件仿真、虛擬測試實驗、儀器設備實踐教學、產品調試及測試等眾多教學或科研的任務，是非常重要的教學場所。

以前老舊的傳統實驗室需要根據各類課程教學內容，設置不同屬性的實驗環境，搭建不同的教學條件。如何擺脫傳統實驗室使用和管理上面臨的各類困境，提高現有實驗室的管理水平和利用率，同時與當前“智慧校園”建設同步升級，打造綠色環保、智能舒適的現代智慧實驗室是當前實驗室建設領域研究的熱點。

四川大學電子信息學院的電子基礎智慧實驗室以提供更好的實驗、科研、教學服務為目的，整合了設備儀器、實驗教學環境，實現了開放共享服務、統計分析等工作內容，同時提高儀器設備使用率，可完成更規范的管理和服務。本文基于該實驗室等建設思路，介紹物聯網智慧實驗室的設計及構建。

一 智慧實驗室功能描述

作為“智慧校園”建設重要組成部分之一的“智慧實驗室”自然也要注重三化建設及四個目標的實現[3]。因此，智慧實驗室的概念及實現的功能可做如下定義：

1.物聯化：將隨時隨地可感知、可測量、可捕獲和可傳遞信息的傳感器等設備，以物聯網為基礎完成鏈接[1]；通過智慧實驗室的建設使各級領導和廣大教師更新實驗教學觀念，同步更新學生的學習方式及學習激情，樹立理論知識與實驗操作并重的理念。

2.互聯化：提供各類實驗課程的過程化數據以供管理人員進行管理優化，并且統一數據管理為實驗教學提供決策支持；提高學生理論轉化為實踐操作的能力，提升學生自主學習和創新能力[2]。

3.智能化：通過各種通信網絡，利用大數據、資源共享等手段，實現智慧控制實驗室光線、溫度、門鎖、虛擬桌面等環境參數，讓實驗室環境更具可持續發展潛力；通過相互協調的人才培養體系，為學生搭建一個可自主化、個性化學習、共享的實驗教學環境，這些優良的學習環境可進一步激發學生的學習熱情和自覺性。

在四川大學電子信息學院智慧實驗室建設及管理功能設計中，設想建設的智慧實驗室應具備如圖1所示的8大功能：智慧門禁、數字信息展示互動屏、智能物聯、資產管理系統、實驗臺整潔度分析、物聯網實訓、24小時無人值守、智能管控。依據智慧校園的技術特性，同時基于智慧實驗室的功能規劃，我院開展了電子基礎實驗室的智能化改造工作，擬圍繞該實驗室的物聯化、互聯化、智能化3個方向來進行建設和實現，本論文以下內容分別圍繞這三個方向進行介紹。

圖1 建設的智慧實驗室功能描述及示意圖

二 電子基礎實驗室的物聯化建設

電子基礎智慧實驗室有實驗桌25張、一體機電腦25臺、實驗設備25套、吸頂空調2臺、環境監測設備一套、網絡設備一套，可容納約80名學生進行實驗。該實驗室的設備眾多且功能復雜，所以物聯化建設非常重要。智慧物聯的升級改造工作主要圍繞云端網絡建設和物聯網鏈接等方面展開。

（一） 云端網絡建設

云端網絡建設是使用云終端、云系統、云存儲等設備，結合現有電腦終端科技將電子基礎實驗室的硬件資源（監控攝像機、移動或手持設備、電腦和多媒體終端、傳感器、實驗設備等）虛擬化，比如將使用這些設備的系統都存于云端數據中心；該云端網絡建設也即將涉及人、財、物在內的實驗室相關信息，通過建設的物聯化平臺快速獲取及分析數據，以便于管理員或任課教師立即采取應對措施和進行中長期規劃[4]。

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（二） 物聯網鏈接建設

為了實現特定的實驗室環境，我院電子基礎實驗室物聯網鏈接建設初步實現了如圖2所示的功能，主要是以下兩點：

圖2 智慧物聯建設中的各模塊圖

1.環境智能控制：通過溫濕度傳感器和空氣檢測儀自動判斷空氣質量，配合空調伴侶及智能管控平臺實現溫濕度自動調節功能；音量傳感器節點監測實驗室各角落的噪音情況；光線傳感器捕獲自然光強度，搭配智能管控平臺，實現窗簾的自動開啟與閉合，并實現室內燈光的自動補光調節。

2.應用監測：用于監測實驗室的攝像頭除了可以對環境、安全情況進行監控外，還可以對學生設備操作的規范性進行監測；通過智能開關面板配合智能管控平臺，實現燈具遠程開關，定時開關與一鍵開關；實驗室門禁系統設置為自習和上課兩種模式。

綜上所述，我院通過整合現有機房所有的IT技術及資源構建的電子基礎智慧實驗室具有如下優勢：降低了硬件設備采購成本，并提高了實驗室的利用率；所有的教學資源都由“云端網絡”提供，在權限許可的情況下實現隨時隨地隨意獲取資源，提供學生多方位的學習支持；還降低了終端系統升級維護、日常管理維護的難度；其中物聯網建設環節需要將大量基礎設施、設備等建設完成后，再利用無線互聯技術，將各類傳感器（溫度、濕度、光度等）、制動器（窗簾等）與控制器（遙控等）進行無線連接；通過物聯化將大量傳感器獲得的信息和設備的使用、控制等工作實現集成化統一管理，用以收集和管理這類信息數據，然后將捕獲的數據等信息傳輸到互聯化模塊進行應用，進一步實現數據處理、提煉與集成。

三 智慧實驗室的互聯化建設

互聯化建設的主要職責是：利用無線網、電信網、藍牙、紅外等可互聯的網絡及各自優勢，通過將傳感器（溫度、濕度等）、攝像頭（圖像等）、GPS（位置信息等）、個人電子設備（手機、電腦、平板等）等設備及信息連接起來進行交互式通信，實現各類硬件設備之間的互聯互通、資源共享、人性化互助，從而獲取終端分析所需要的數據，并實現數據存儲和管理功能，最終實現數據中心的建立。

我院建設的電子基礎智慧實驗室，互聯化的數據主要從實驗室管理系統和捕獲物聯模塊中獲得[5]。最終，這些有用數據都會按照某種約定好的協議或是web服務等方式送入到互聯層，匯總到各類數據中心[6]。然而，這些數據的來源各不相同，數據格式也不一致，這給數據中心的數據處理帶來非常大的困難。

所以，在本實驗室的智能化改造過程中，需要提前給這些數據的互聯規定如何進行分析、整理的方案：首先將收集好的數據映射到所關注的各類大/中/小型事件中，構成基于處理模塊系統的事件處理服務塊；然后將這些有用數據逐一融合到存在于某個學校部處、學院某個科室規定的其他相關事件服務塊；接下來進一步篩選及過濾掉原始數據，再對數據進行各種不同應用領域的建模、識別及關聯，如此便獲得了豐富的數據來源；最后可進一步拓展系統的應用領域，利用監控業務流程進行信息的優化，為實驗室管理員以及其他相關人員（學院領導、任課教師、上課學生、自習學生等）提供更精準的信息。具體的方案流程圖如圖3所示。

圖3 數據互聯化的分析整理方案圖

若物聯化是將所有設備、儀器等連接起來構成了一個初期的小型物聯網，那么互聯化構建了這些設備信息、數據互通，資源共享的一個數據平臺。從上面的分析可以獲得互聯化的貢獻是：將來自于物聯化終端設備和管理系統軟件等模塊各方面的大量數據轉化為與系統事件（大/中/小型事件）相關的信息，經過對應各自領域管理系統的處理后，再將這些有用信息或數據發送給智能化平臺、設備、終端，以便進行進一步的分析、監控和管理[3]。

四 智慧實驗室的智能化建設

隨著各類應用程序和專業軟件的發展，促使數據分析處理和可視化信息應用的范圍擴大，使得智慧實驗室的智能化建設可更好地利用互聯化終端設備所提供的數據或信息。在智能化建設過程中可以通過應用分析、收集其他相關數據來執行結果預測，其優勢是：提高風險洞察力、優化風險管理、完善場景建模，并獲得決策過程優化及更準確地預測結果[7-8]。

此外，數學工具和統計算法可以對系統數據進行進一步的集成，從而拓展智能化建設的應用范疇。我院通過可用數據對各部處通知的事件進行深入的關注和洞察，建設了如下三個功能的智能化管理應用模塊，如圖4所示，其中各模塊的詳細描述如下：

圖4 智慧實驗室的智能化建設模塊圖

1.人員監測和開放共享：首先對維護人員進出設備間進行授權；再通過門禁系統或視頻攝像頭對實驗室內人員的狀況、密度、靈敏度等進行實時監測（若有人員出現高度密集、扭打或者在非正常時間段進出設備間等情況，系統會及時通知后臺管理員，同時記錄非正常人員的進出、惡劣程度等情況），從而保證實驗室設備及運行環境、人員的安全；該監測系統通過班牌來顯示空閑工位或桌位信息，以方便教師或學生進行集體或者個人的預約使用，提高實驗室的利用率和共享率。

2.電力監測和遠程控制：對實驗室內的220V電源、強弱電配電箱、UPS電源、防雷電系統等電力、動力設備實施遠程集中管理和監測，充分保障實驗室內各動力系統的正常運行；同時對照明亮度、空調控制、電源安全管理、網絡設備協調、大型儀器設備使用等硬件的使用全過程進行遠程控制和監測，確保學校財物的安全。

3.環境監測：通過室內桌面定位攝像頭及光線傳感器，可自動調節實驗室中各桌面上對應照明燈的亮度、色調、柔度及計算機屏幕的亮度，并可根據室外光照強度對窗簾開啟程度、光照強度等進行調整；通過監控設備對實驗室內人員密度、濕度、溫度及二氧化碳濃度等信息進行監測，進而設置通風自動調節情況和空調溫度等。

我院電子基礎智慧實驗室的智能化建設可實現對實驗室場地、使用人員、應用設備、外圍環境與安全的綜合管理，而且可對設備維修、借用和共享、使用申請、收費管理、授權管理等常規業務進行網絡化、數字化的輔助管理，從而實現實驗室的流暢使用。

五 結語

智慧實驗室通過物聯網、云端物聯、大數據、人工智能和移動互聯等現有前沿技術，通過物聯感知、智能化等多維建設模式，將高校實驗室中的硬件設備、基礎設施、軟件數據、學習環境和科研設備等鏈接起來，達到無人管理和智能監控，從而保障已建成智慧實驗室的安全管理，營造一個舒適的、智能的實驗環境。此外，智慧實驗室的建設還可以減輕實驗室管理人員的工作負擔，提高各位任課教師的工作效率和上課水平，同時還為實驗室建設、教學評估及教學質量監管等各項重要工作提供基礎數據支持和重要數據分析；通過收集學校的相關信息，優化實驗室使用，將數據—信息—知識—智慧四者之間的轉化流程，為學院做出正確的決策提供技術支撐。在不久的將來，以信息技術應用為主力軍的智慧實驗室建設勢必加快整個校園智慧化的進程。