基于物聯網技術的高校智慧實驗室的設計與實現

摘要：物聯網是互聯網與傳感技術、人工智能技術、大數據分析技術相互結合的產物，也是網絡發展的必然趨勢，它將人類社會的方方面面融入智能化的全球網絡中，為人們生活和工作帶來了前所未有的便利和效率。文章首先闡述了智慧實驗室的概念與特點，分析了基于物聯網技術下的高校智慧實驗室的架構設計，包括感知層、網絡層、數據層和應用層的設計，以此對高校智慧實驗室架構實現進行論述，旨在提高實驗效率、降低管理成本、增強實驗安全性等。

關鍵詞：物聯網技術；高校；智慧實驗室；設計與實現

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0100-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著物聯網技術的飛速發展，高校智慧實驗室的設計與實現已成為教育領域關注的焦點。物聯網技術能夠實現對實驗室設備、環境等的智能化管理，顯著提升實驗室的利用效率和實驗教學的質量。本文旨在介紹基于物聯網技術的高校智慧實驗室設計方案與實施方法，為相關領域的研究與實踐提供借鑒。

1 智慧實驗室的概念與特點

智慧實驗室是在實驗室中應用物聯網技術，通過對實驗設備、環境和人員等元素的智能化管控，提升實驗室的管理效率和實驗工作的質量。智慧實驗室具有以下3個特點：自動化管理、數據驅動決策和安全性增強。

1.1 自動化管理

智慧實驗室實現了自動化管理，借助物聯網技術，實驗室內的各類設備得以遠程控制和自動化操作，從而提高了設備使用效率和工作效率。例如，通過與傳感器和執行器的緊密連接，實驗設備能夠自動監測并根據需求進行自我調節，這種自動化管理不僅提升了實驗的準確性和可重復性，還節省了人力成本和時間成本，使實驗室工作更加高效便捷。

1.2 數據驅動決策

智慧實驗室以數據驅動決策為特點，利用大數據分析和人工智能技術，全面收集并分析實驗室運行數據，為管理者提供精準的決策支持和指導。通過對實驗數據的深入分析，管理者能夠及時發現實驗室存在的問題和改進空間，進一步優化實驗室運作流程和管理模式[1]。此外，數據驅動決策還促進了資源的合理規劃和設備的高效維護，減少了資源浪費和故障發生，提升了實驗室的整體工作效率和資源利用率。

1.3 安全性增強

智慧實驗室在安全性方面也表現出色，通過智能化監控和預警系統，能夠實時監測設備狀態和實驗環境的變化，及時應對潛在的安全風險和問題。例如，智能化監控系統能夠精確監測設備的溫度、濕度、氣體濃度等關鍵參數，并在異常情況下及時發出警報，有效防止設備損壞或實驗意外。同時，智慧實驗室還注重實驗數據的備份與保護，確保數據不丟失、不泄露，保障了實驗室信息的安全性與穩定性。

2 基于物聯網技術的智慧實驗室架構設計

基于物聯網技術的智慧實驗室架構可分為4個層次：感知層、網絡層、數據層和應用層，如表1所示。

2.1 感知層

感知層是智慧實驗室架構設計中關鍵組成部分，用于實驗室設備的感知與數據采集。感知層包括傳感器、執行器以及數據采集設備等，傳感器負責對實驗室內的各類設備和環境參數進行實時監測與數據采集，如溫度、濕度、氣壓、光照強度等。執行器則通過收集的數據作出相應的調節和控制，比如控制空調溫度、開關燈光等[2]。數據采集設備將傳感器和執行器的數據進行整合和處理，將數據傳輸給上層的網絡層進行進一步的分析和管理，在智慧實驗室架構設計中感知層的設計，應根據實驗室的具體需求選擇合適的傳感器和執行器，例如，在化學實驗室中，溫度和濕度傳感器必不可少，而在物理實驗室中，則需要光照強度傳感器等，同時還應考慮傳感器的布設位置和數量，以保證全面而準確地獲取數據。另外，感知層還須考慮能源供應的問題，如電池電量和供電方案等，以保證傳感器和執行器持續穩定的工作。

2.2 網絡層

在高校智慧實驗室的架構設計中，網絡層是實現設備之間數據傳輸和通信的關鍵部分。這一層主要包括路由器、交換機和網關等設備。路由器是網絡層的核心設備，它負責在不同網絡之間進行數據傳輸，實現網絡互聯[3]。在智慧實驗室中，路由器可以連接各個實驗設備、終端設備以及互聯網，確保數據傳輸的穩定性和高效性。交換機則是用來連接同一網絡中的設備，實現數據交換和共享。在智慧實驗室中，交換機可以連接實驗室內的電腦、服務器等設備，形成一個高速、穩定的數據傳輸網絡。網關是連接不同網絡之間的橋梁，可以實現不同網絡之間的數據轉換和通信。在智慧實驗室中，網關可以連接實驗設備、終端設備以及外部網絡，實現數據的互通和共享。網絡層的主要作用是提供網絡服務，實現遠程訪問和管理。通過路由器、交換機和網關等設備的協同工作，高校智慧實驗室可以構建一個高速、穩定、安全的網絡環境。在這個環境中，實驗設備、終端設備以及互聯網可以實現數據的互聯互通，方便學生進行實驗操作和管理人員進行遠程管理。

2.3 數據層

數據層是高校智慧實驗室架構設計中的關鍵組成部分，用于實驗室設備數據的采集、存儲和管理。數據層包括數據采集設備、數據存儲和數據庫等。在智慧實驗室架構設計中，數據采集設備負責對實驗室內的各類設備和環境參數進行實時數據的采集，這些數據采集設備可以是傳感器、監測設備等，通過收集設備的運行狀態、能耗信息、環境參數等數據，可實現對實驗室設備的全面監測。數據存儲是存儲和管理實驗室設備數據的重要環節，通常使用云存儲或本地存儲的方式進行數據存儲。云存儲能提供更好的可擴展性和靈活性，方便實現數據的備份和共享。本地存儲則可以更好地保護數據的安全性和隱私性。另外，數據庫是數據層的核心組件，用于對采集到的實驗室設備數據進行存儲和管理。數據庫的設計需要考慮數據的結構和存儲方式以及對數據的高效訪問和查詢。常見的數據庫技術包括關系型數據庫、NoSQL數據庫等。

2.4 應用層

應用層是基于物聯網技術的高校智慧實驗室架構設計中的重要組成部分，用于對實驗室設備數據進行分析和應用。應用層主要包括監測控制系統、數據分析系統和決策支持系統等。在應用層中，監測控制系統通過獲取數據層的實驗室設備數據，實現對設備狀態和運行情況的實時監測和控制，通過監測控制系統，實驗室管理人員可以遠程監控設備的運行狀態，及時發現問題并進行相應的控制和調整。而數據分析系統用于對數據層采集到的實驗室設備數據進行分析和挖掘。通過數據分析，可以挖掘出有價值的信息和知識，為實驗室管理人員提供決策依據。數據分析系統可以使用各種技術和算法，如機器學習、數據挖掘等，對實驗室設備數據進行建模和分析。最后，決策支持系統通過對實驗室設備數據的整合和分析，為實驗室管理人員提供決策支持，決策支持系統可以提供實驗室設備的運行狀態和歷史數據分析報告，幫助管理人員制訂合理的設備維護和更新計劃，優化實驗室資源的利用。

3 高校智慧實驗室架構實現

3.1 設備智能化管理

在智慧實驗室中，設備智能化管理是確保實驗室高效、安全運行的關鍵，通過引入物聯網技術，實驗室設備可以實現互聯互通，實現設備的遠程監控和管理。具體來講，設備智能化管理包括設備狀態監測、設備故障診斷和設備自動控制三個方面：

1） 設備狀態監測：設備智能化管理可以實現設備狀態的實時監測。傳感器等設備的引入使得實驗室可以實時了解設備的運行狀態，如溫度、濕度、壓力等。這不僅確保了設備在安全、穩定的條件下運行，而且為預防性維護提供了數據支持。

2） 設備故障診斷：設備智能化管理能夠實現對設備故障的預測和診斷。通過對設備運行數據的分析，實驗室可以及時發現并處理潛在的問題，從而降低設備維修成本，提高設備的整體使用壽命。

3） 設備自動控制：設備智能化管理還實現了設備的自動控制。通過自動化控制技術，實驗室可以遠程開關機、調整設備參數等，進一步提高設備的運行效率。這不僅減輕了實驗室工作人員的負擔，而且為實驗的順利進行提供了保障。

3.2 實驗數據實時采集與處理

在智慧實驗室中，實驗數據的實時采集與處理是關鍵環節，通過進行實時采集和處理，實現對實驗數據的高效管理和分析，為實驗教學提供更加全面、準確的數據支持。

1） 實驗數據傳感器：通過在實驗設備或實驗室中安裝傳感器，實現對實驗數據的實時采集。傳感器可以對溫度、濕度、壓力等實驗條件進行監測，并將監測到的數據實時傳輸到數據采集系統。

2） 數據采集系統：數據采集系統用于實驗數據的采集、存儲和管理的系統，采集系統可以將傳感器采集到的數據進行實時接收和存儲，提供對實驗數據的管理和查詢功能。

3） 數據處理與分析：通過在數據采集系統中集成數據處理和分析功能，可以對實驗數據進行實時處理和分析。數據處理和分析可以包括數據清洗、數據統計、數據挖掘等過程，從而得到實驗數據的有效信息。

4） 數據可視化：通過將實驗數據以圖表、報表等形式進行可視化展示，可以直觀地展現實驗數據的趨勢和規律。數據可視化可以幫助實驗人員更好地理解實驗數據，并從中發現問題和進行決策。

3.3 實驗室安全監控

實驗室安全是高校實驗室管理的重中之重。在智慧實驗室中，通過引入視頻監控、環境監測、火災報警及門禁系統等技術手段，可實現對實驗室安全的全方位監控和管理。

1） 視頻監控系統：在高校實驗室中部署視頻監控攝像頭，實時錄制和傳輸實驗室的圖像和視頻。監控系統可以通過網絡，讓實驗室管理員隨時隨地對實驗室進行遠程監控和觀看，及時發現安全隱患和異常情況，同時還能將圖像和視頻進行存儲和回放，為高校實驗室管理員提供記錄和回溯的功能。

2） 環境監測系統：在高校實驗室安裝環境傳感器，監測實驗室的溫度、濕度、氣體等環境參數，可實時有效采集數據，通過與設定的安全閾值進行比對，及時預警并提醒實驗室管理員。例如，當發現實驗室溫度過高、濕度過大或氣體泄漏等異常情況時，環境監測系統可以通過警報裝置進行聲光報警，以引起實驗室管理員的注意[4]。

3） 火災報警系統：在實驗室中設置火災報警器，實時監測火災情況，火災報警器可以通過對溫度、煙霧等參數的變化進行監測，一旦發現火災跡象，即刻發送報警信號，觸發聲光警報裝置和自動滅火系統，促使實驗室內的人員緊急疏散并采取相應的滅火措施[5]。

4） 門禁系統：通過門禁系統對實驗室的出入口進行控制和管理。如圖1所示，門禁系統可以采用刷卡、指紋、人臉識別等方式，對實驗室的人員進行身份認證，只有經過身份認證的人員才能進入實驗室，提高實驗室的安全性和保密性。

4 結束語

綜上所述，基于物聯網技術的高校智慧實驗室設計與實現是未來實驗室建設的重要方向，不僅能提高高校實驗室的智能化水平，還為師生提供了更加便捷、高效的學習和研究環境。智慧實驗室的設計與實現通過物聯網技術實現設備的互聯互通，實現實驗室資源的共享和優化配置。同時，通過智能化管理，可以實時監控實驗室設備的使用情況，提高設備利用率。此外，智慧實驗室還具有自動化、智能化的特點，能夠自動完成實驗數據的采集、處理和分析，為科研工作提供有力支持，它將為師生提供更加便捷、高效的學習和研究環境，推動高校科研工作的快速發展。

參考文獻：

[1] 裴慧華.基于物聯網架構的高校智慧實驗室關鍵技術[J].電聲技術，2022，46（7）：62-64.

[2] 張睿.物聯網架構下的高校實驗室信息化管理關鍵技術研究[J].微型電腦應用，2019，35（7）：124-127，130.

[3] 賴程鵬.基于物聯網技術的智慧實驗室的研究與設計[D].北京：華北電力大學，2015.

[4] 劉昌鑫，陳慧娟，歐陽春娟，等.物聯網技術支持下的高校智慧實驗室構建探析[J].中國教育信息化，2016（7）：54-56.

[5] 李楠.基于物聯網技術的高校智慧實驗室設備管理系統的設計與實現[J].信息技術與信息化，2021（3）：202-205.

【通聯編輯：代影】