物联网技术支持下的高校智慧实验室构建探析

刘昌鑫 陈慧娟 欧阳春娟 彭嵩松

摘 要：文章介绍了当前智慧实验室建设的现状和核心功能，阐述了智慧实验室的概念，构建了基于物联网的智慧实验室架构模型，设计了智慧实验室系统功能模块。该系统实现了对实验室设备、环境等进行智能监管的基本功能，为高校智慧实验室建设提供了整体解决方案。

关键词：物联网；智慧校园；智慧实验室；ZigBee

中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）07-0054-03

一、物联网与智慧实验室

随着互联网的普及，我国高校实验室在设备管理、实验课程教学与管理、开放实验室、实验教学资源管理等实践教学环节基本实现了在线信息化管理，高校实验室管理的信息化应用水平有了极大的提高。但是各高校实验室的日常管理仍然归口在二级学院，由二级学院完成实验室的规划、课程实验教学的实施、实验教学设备的购置等，这样导致学院之间存在着实验资源重复购置、实验设备利用率低、实验室开放范围有限、实验资源分散和实验室环境缺乏有效监测和预警等问题。近年来，物联网技术已经开始广泛应用于智慧城市和智慧校园建设，将物联网技术应用于高校实验室管理，可以有效地解决高校实验室管理存在的问题，也为全面提升高校实验室信息化管理水平带来了新的机遇，高校实验室管理智慧化已经成为未来高校实验室建设的必然发展趋势。

物联网（IoT，Internet of Things）是通过射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与网络连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。[1]以物联网技术打造智慧校园建设，为高校智慧学习环境构建带来了诱人的机遇和挑战，智慧教育成为全国教育信息化的发展方向。[2]

智慧实验室是智慧校园的重要组成部分，是以物联网为核心，利用新一代信息技术为广大师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台，实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联、人员的互动协作以及开放实验室设备资源、教学资源，科研资源的高度信息共享等。[3]

目前，部分高校已经开始打造智慧实验室。华北电力大学现代无线通信实验室构建了一个开放、共通的基于物联网技术的通信实验室平台。[4]吴蓬勃等人利用物联网技术开发了实验室监管系统，主要实现了实验室的智能课堂管理、智能电源管理、智能环境管理等功能。[5]王慧渊等人构建的智能实验室监控系统实现了对实验设备的远程监管、实验室环境的信息采集以及安全与能耗管理等。[6]利用物联网技术，许多公司也开始致力于开发高校智慧实验室管理系统，如智慧实验室综合监管系统、开放实验室预约系统等等。本文针对地方本科高校实验室的实际需求，探讨了基于物联网技术的智慧实验室架构设计，为地方本科高校智慧实验室建设提供建议和参考解决方案。

二、基于物联网的智慧实验室架构设计

物联网、云计算和泛在网络是构建高校智慧校园的关键技术。由于地方本科高校实验室建设投入有限，智慧实验室的构建要充分考虑系统的可扩展性，预留智慧实验室扩建的接口。根据地方本科高校的实验室建设的实际情况，参考物联网的三层体系结构，本文构建了智慧实验室架构模型，如图1所示。

智慧实验室构架模型分成三层，即感知层、网络层和应用层。感知层主要依靠RFID和传感器等设备采集实验室的环境参数。网络层主要由有线和无线网络基础设施组成。应用层主要由门户网站、实验公共数据库、各种实验室智能监管系统等组成。

三、高校智慧实验室系统设计

高校智慧实验室系统是师生进行课程教学实验、课程设计、科研创新、学科竞赛等教学实践的综合平台，系统主要由基于RFID的实验室设备管理系统、开放实验室预约系统、基于ZigBee的实验室智能监控系统、智慧实验室视频监控系统、实验公共数据库、实验教学与管理中心门户网站等组成。

1.基于RFID的实验室设备管理系统设计

学校对每一个实验室设备进行统一编号，设备搬出实验室会自动报警，利用RFID技术可以实现对设备进行定位。基于RFID的实验室设备管理系统主要包括固定资产管理、低值易耗品管理等。固定资产管理包括设备增删、查询、借用、维修、统计、定位等，低值易耗品管理包括查询、领用、统计等。

2.开放实验室预约系统设计

师生通过网上预约实验，使实验员开放实验室非常方便，实验安排更加科学合理。开放实验室预约系统包括权限管理、预约管理、查询管理、门禁管理、审批管理等功能，预约管理主要是实现预约申请、预约审核、实验进度等，查询主要是查询实验室类别、实验项目、设备状态、预约状况等。

3.基于ZigBee的智慧实验室监控系统设计

基于ZigBee的智慧实验室监控系统主要由智能设备监控系统、智能安全系统、智能供电系统、智能环境监测系统等组成。智能设备监控系统完成对实验室大型仪器设备的远程监测；智能安全系统完成对实验室危险品、维护人员的监控；智能供电系统完成实验室照明控制、远程电源管理、电力监测等功能；智能环境监测系统完成对实验室设备运行环境进行监测。

整个系统包括服务器、路由器、ZigBee协调器和ZigBee终端等，服务器通过实验室监控系统实现实验室信息管理的智慧化，并对协调器传输的数据进行处理。路由器负责接收终端节点采集的数据，同时将数据转发到服务器。ZigBee协调器负责路由器或终端节点数据的转发。ZigBee终端节点负责实验室环境现场数据的采集。

系统的关键技术是设计ZigBee协调器和ZigBee终端，主要包括主控CPU、ZigBee模块、RFID模块、串口、传感器模块和门禁模块等。

（1）主控CPU。一般选用ARM内核，如三星的 ARM Cortex-A8、ST公司的ARM Cortex-M3等芯片。

（2）ZigBee无线网络模块。市场上ZigBee主要芯片提供商（2.4GHz）为TI/Chipcon、Ember（ST）、Jennie、Freescale、UBEC等，ZigBee模块一般选用CC2430/CC2530芯片。CC2430芯片集成了ZigBee射频（RF）前端、内存和8051MCU。

（3）传感器模块。主要由红外传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等组成。

4.实验室智能视频监控系统设计

实验室视频监控系统能够记录进出实验室的人员情况，实现实验室远程视频监控。该系统由智能监管系统、智能预警系统等组成。智能监管系统主要包括实验室地图、视频监控系统、门禁系统、巡视系统、对讲呼叫系统、紧急报警系统、智能视频分析等功能。智能预警系统主要包括应急预警、危险实验室预警、门窗预警、实验人员预警、用电预警、安全预警情况查询等功能。

5.实验公共数据库设计

实验公共数据库主要是实现实验设备、人员和场地等数据的共享和优化，包括固定资产数据库、实验耗材数据库、场地数据库、实验人员数据库、实验项目数据库等。固定资产数据库包括设备编号、设备名称、型号规格、生产厂家、价格、购置日期等。实验耗材数据库包括名称、规格、数量、产地等。场地数据库包括名称、地址、所在部门、面积等。实验人员数据库包括姓名、性别、年龄、职称、所学专业等。实验项目数据库包括实验名称、所属课程、实验学时、实验室名称、实验地点、开设时间、指导教师、分组情况等。

6.智慧实验教学与管理中心门户网站

实验教学与管理中心门户网站主要是为实验教师和学生提供一个支持实验教学和学习的网络教学平台，该平台可以对实验资源进行合理分配和管理，是各种实验室管理系统、教师实验教学管理和学生学习交流的入口。

四、总结

文章阐述了智慧实验室的概念，构建了基于物联网的智慧实验室架构模型，设计了智慧实验室系统，该系统实现了对实验室设备智能管理的基本功能。但是探索基于物联网的智慧实验室建设的研究才刚刚起步，智慧实验室建设存在投资成本大收益低、各种智能监控系统融合难、实验室维护难等问题。如何设计高效、融合的智慧实验室系统，实现实验室的智慧化无缝管理，仍然是今后智慧实验室建设的努力方向。

参考文献：

[1]朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报，2010 （11）：2-9.

[2]杨现民，余胜泉.智慧教育体系架构与关键支撑技术[J].中国电化教育，2015（1）：77-84.

[3]周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，2014 （5）：239-242.

[4]车辚辚，孔英会，赵建立，程文清.基于物联网的智慧实验室设计[J].实验技术与管理，2013（10）：212-215.

[5]吴蓬勃，李学海，杨斐，张金燕.基于物联网的智慧实验室研究与实践[J].实验室研究与探索，2015（3）：78-85.

[6]王慧渊，张珣.基于物联网技术的智能实验室的研究[J].物联网技术，2013（10）：64-67.

（编辑：王天鹏）