信息化时代构建智慧型物理实验室的研究

吴庆州，王 涛，徐春燕，王玉珏

（南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046）

实验教学是高等学校理工科人才培养方案中的重要组成部分，2018年1月，教育部颁布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》[1]更是凸显了实验教学的重要性，尤其明确了物理实验课程是所有理工科学生的必修课程。物理实验作为学生科学实验训练的入门基础实验，它具有受众面广、知识面广、开课时间长等特点，有利于学生养成良好的科学实验习惯，培养学生的创新意识，显著提高学生的动手能力[2]。随着连年的本科扩招以及信息技术的发展，传统的实验教学和管理受到了极大的挑战，如何高效智能地管理实验室是广大实验教学管理人员亟待解决的一道难题。

1 智慧型物理实验室建设的必要性

2018年6月，教育部长陈宝生在新时代中国高等学校本科教育工作会议上明确提出，在今后两年到三年时间内，打造智慧课堂、智慧实验室、智慧校园，深化课堂教学革命[3]。随着社会的进步、信息技术的发展，智慧实验室建设将是大势所趋[4-5]。启动智慧实验室建设，标志着实验教学智慧管理时代的到来。5G的商用序幕已经拉开，物联网技术、大数据、人工智能都将会有一个突飞猛进的发展，为建设更安全、舒适、高效、节能、环保的智慧实验室带来更好的技术保障。

目前，关于智慧实验室还没有一个明确的定义，各种百科全书上都未有智慧实验室这个词条。智慧实验室不是智能实验室，这已经得到广泛认可。有学者认为将人的智慧与智能科技融入实验室的设计、建设、运行、管理、发展等各环节里[6]，使实验室发挥其在相关领域的技术支撑作用，这样的实验室应该算是“智慧实验室”。

朱蓓薇院士指出，智慧实验室是对实验室管理的改革，更加充分利用信息技术让实验室更加高效、更加安全、更加便捷。而“智”即技术，“慧”即人，所以“以人为本”是智慧实验室发展的根本[7]。这里面人的智慧不仅仅包括人类在自然科学技术方面的巨大成功，也包括在实验室管理体制机制创新方面进行的探索与实践。智慧实验室将是各类实验室发展的重要目标。

2 智慧型物理实验室的系统构架

智慧实验室建设根据教学型、科研型、科研教学型、教学科研型、综合服务型等不同实验室[8]的需求，可分为基础、中端、高端三种类型。基础型智慧实验室主要为教学型实验室服务，具备环境感知、实验室控制、仪器控制、教学资源管理、实验数据处理等功能。管理系统平台作为最终的集成平台应具有可兼容性及可升级性等特点，各传感器数据输出端应统一使用标准化接口，便于实现与手机端、电脑端、门户网的数据对接。一般物理实验室不产生废气废水，建设管理相对更简单一些，借助目前的技术手段更容易实现。针对物理实验室的特点，本文设计的方案可以用于新建实验室，也可以用于老旧实验室改建，改建时在不改动现有仪器设备的情况下实现智能化，达到基础型智慧实验室的基本要求。

图1为智慧型物理实验室基础架构关系图，整个构架主要由感知、信息处理、系统管理三个层级组成。感知层主要通过物联网技术、二维码技术等实现环境数据的感知处理、仪器状态数据的感知处理。信息处理层借助服务器、互联网将感知层和管理层的数据收集处理反馈回去达成智能智慧控制。管理层主要依靠软件调用显示各类数据、处理相关指令、智能学习用户习惯、智能研判数据等。

图1 智慧型物理实验室基础架构

2.1 智慧型实验室感知层硬件的设计实现

物理实验使用的仪器多无法实时采集实验数据，为此通过实验者实时报送数据的方式实现实时数据采集。根据绝大多数物理仪器都需要使用电源这一特性，通过设计电源黑盒来控制仪器的使用。电源黑盒内装有电源控制模块，实时记录当前仪器总电流情况，并加装温湿度传感器感知黑盒周边温湿度情况，这些数据一旦开启，管理层即可通过平台显示出某黑盒已经启动。管理层在该实验室通电情况下可以远程控制该黑盒的开启与关闭，通过摄像头实时查看学生实验情况。学生做实验前通过微信扫码开启电源，做完实验扫码关闭电源，完成常规的实验签到签退功能。黑盒可以识别使用者及使用时长，并自动记录，可对某实验室多少套仪器在运行做实时汇总。当个别仪器突发大电流时，第一时间预警、记录，并在第一时间通知实验员处理。

实验室组网采用基于 CC2530的无线传感网ZigBee技术，在不改变原有实验装置及布线的情况下可快速组网。图2为感知层硬件组网示意图，图中E是终端节点（end device），连接每一台实验设备，在需要工作时自动加入 ZigBee网络，待机时具有极低功耗，并且还可以设定为可周期性唤醒任务。设计时根据实验室大小，两到三个实验室设置一个中心协调器（coordinator）协调控制每个实验室的多个路由器（router）组成的MESH网络（分布式无线网络）。当有实验设备电源黑盒开启后，路由器通过扫描计算为其分配新地址，同时寻找最优化数据转发方式将数据传输到信息处理层。这样组网的好处在于即使中心协调器断电，路由器仍然能够相互通信，每台仪器依然可以独立工作，新打开的实验设备依然可以加入并且可以通过工作的路由器进行分配地址。整个实验室的每个路由器必须在同一个 ZigBee网络内，保证所有的终端节点具有相同频道PAN ID（网络ID）。

图2 感知层硬件组网示意图

图3 为CC2530模块电路图，图中所示的CC2530模块的无线传输电路设计上采用ADC（analog-to-digital converter）采样，通过远程PWM波输出来控制ADC采样，可以有效简化指令，实现数据传输和智能控制。在硬件层的传感器中一般包含离子式烟雾传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器、光照度传感器、声光报警传感器等。

图3 CC2530模块电路图

2.2 智慧型实验室信息层、管理层设计实现

信息层充分利用现代化信息技术手段，具有智能处理各类数据的功能，可以大幅度提高实验室的管理水平。管理层借助物联网实现对物的管理，并通过打通现有实验室网站、资产处网站、资产管理系统、实验教学系统，实现对信息资源的整合管理。管理层通过各种输出方式实现与手机、电脑、多媒体、电视端等连接，从而使管理人员便捷掌握实验室内的各种信息，管控实验室内的各类设备。

数据的处理采用目前使用较为广泛的Lambda架构[9]，基于Lambda架构的数据处理原理如图4所示，将获取到的新数据同时输入到批处理层和数据流速度处理层，经过运算后将两个层面的运算视图在查询时将结果输出给用户。这种架构有效整合了数据读写与应用分离、数据结构融合、离线与实时计算等常用架构原则，便于数据的实时处理，且具有通用性、高容错、易调试、易维护、易查询、易扩展、低延时等特点，同时易于集成常用的大数据组件，如Phoenix、Spark、Presto、Pig、Storm、Stinger等。

管理层交互设计采用了B/S架构即浏览器和服务器架构模式，这也是目前各类实验教学管理系统使用最多的一种交互模式[10]。采用该架构可以将所有的程序运算在服务器主机上完成，用户借助浏览器便可交互查询，不需要额外安装App，也便于接入微信公众平台，通用性更强。

图4 基于Lambda架构的数据处理原理

3 子系统的设计实现

3.1 微信一键注册登录

每台设备终端通过电源黑盒互联，将电源黑盒ID信息生成二维码，学生用手机端扫码即可进入控制界面，学生账号与微信绑定，利用微信一键登录注册使用仪器。扫码登录后学生可以选择设置仪器通电时间、实验数据上传、仪器报修、关闭仪器等功能。

3.2 仪器使用系统

学生一旦扫码后数据中心即可收到信息并记录相关数据，同时将数据传输至管理层，管理层工作人员可以实时查看仪器谁在用，用了多久，有无异常等。学生上报的实验数据通过数据中心智能分析后，如遇数据出入较大，系统通过微信平台直接反馈给学生，从而提升学生实验效率。该系统替代了传统的手工签到、签退、点名等工作，可以自动生成数据报表。何时何人在用这台仪器一目了然，实现对仪器使用追溯。

3.3 考试系统

该系统包含系列考试，实验室安全考试，预习测试，实验单项测试，综合测试等，根据考试需要设定考试形式，可以是开放式随时考，也可以是统一考试。实验单项测试可以在实验室里边做实验边完成考试，检验学生动手能力。该系统根据教师设定的规则自动评判学生平时成绩，更加科学公平。

3.4 实验数据存储及评分系统

数据存储分析涉及大数据和人工智能，系统通过收集学习实验数据，综合研判当前温湿度环境下实验合理数值，智能识别编造数据、抄袭数据，让学生养成自己动手测量的好习惯。

3.5 实验室预约系统

预约采用审核机制，针对学生的不同目的选择不同的预约类型，如到实验室看仪器、重测数据、补测数据，或者预约研究性实验等。预约系统自动匹配可选仪器和可选日期，可设定实验员或实验教师最终审核。学生按预约通过门禁系统进入实验室后用手机微信扫码即可进入仪器使用系统，进行实验的相关操作。

3.6 实验室监测系统

采用高清摄像头搭配各类传感器完成硬件铺设，监测系统360度云台远程操控。智慧实验室的摄像头不是单纯的录像功能，通过 AI人脸识别算法可以实时识别实验室内人数[11]。在出现火灾等险情时能够与管理层智能联动，在非实验时段自动进入侦测报警模式，只要有人或者动物进入就会发出警报，同时将画面传至管理员手机及邮箱里，可以有效防盗和防入侵。

3.7 资产管理子系统

资产管理系统与仪器使用系统连通，包含仪器设备分布情况、使用情况、维修次数等功能。实现任何一台仪器使用情况溯源，维修情况溯源，智能分析仪器老化程度。

4 结语

知识社会环境下的智慧实验室是继实验室信息数字化之后即将发展起来的高级形态。智慧实验室对提升实验管理水平、教学效果，打造实验金课有很大的辅助作用，是实现实验室高效智能运转的最好办法。对现有教学实验室的改造升级，通过加装智能设备，利用信息化平台快速构建智慧型实验室有着较大的社会需求，本文所介绍的方案对教学型实验室的改造升级有一定的借鉴意义。