基于物联网技术的智慧实验室云平台

李智超

（南京邮电大学 江苏省南京市 210023）

1 技术背景

物联网(Internet ofThings, loT)指的是通过各类传感技术将物理世界的信息传感设备按约定的协议连接在一起，进行数据交互和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。云平台也称为云计算平台，是指基于硬件资源和软件资源的服务，提供计算、网络和存储能力。基于物联网技术的智慧实验室云平台，主要依托物联网和云计算等相关技术，通过对实验室中的 “人、机、料、法、环”等核心要素进行全面感知、预测分析、自主决策和优化执行，从而形成的互联协同、信息共享、安全监测及智能决策的信息化系统平台。

2 实验室管理的痛点

2.1 实现实验室环境的智能化

实验室设备繁多，运维管理这些功能种类多样的不同设备越来越麻烦，需要建设一套智能化管理平台，实现“人、机、料、法、环”的统一管理，综合管控，把设备及环境数据整合，全面提升信息化管理能力，节约管理管理成本，降低了误操作设备的概率。

2.2 集中管理信息发布及通知通告

在实验室智能化管理的过程中，各种设备故障通知，各种业务流程代办的通知，都需要有效地发送到对应人员，以便及时处理。这就对集中管理通知公告，实时的信息发布有着迫切需求。

另外，可通过移动端功能，推送与展现实验室的通知通告，环境监控数据，设备状态数据等。

2.3 实现3D动态模型管理信息化

实验室管理从传统服务向信息化服务转化，从静态的表格图片向动态的3D 模型操作应用转化，因此，需要基于目前的BIM 建筑模型，系统实现实验室场地的3D 动态模型处理，通过前端的3D模型操作，来提高使用效率和提高服务的质量及速度。

3 建设目标

建设一套拥有国内一流水准的智慧实验室综合管理平台，实现真正的实验室环境智能化，运维规范化，管理一体化标准。

依托于物联网、云计算、5G 通信、大数据、人工智能、BIM三维信息模型等前沿科技与技术，利用实验室场地、人、机、网、物等关联系统普适互联的特点，时间上贯穿实验室设备全生命周期，空间上覆盖实验室各种场景以及传感器，完成对实验室人、机、料、法、环的智能动态监控与闭环管理，形成互联协同、信息共享、安全监测及智能运维与决策平台，构建一个功能完善、系统先进、安全稳定、拓展性强的信息化平台系统。

4 系统设计

4.1 系统设计原则

4.1.1 先进性/整合性

基于物联网技术，多租户的云平台设计技术，全面整合人、机、料、法、环的完整信息，实现闭环管理体系。

4.1.2 强壮、稳定、可扩充

采用分布式部署模式设计，微服务架构，前后端分离，整体规划、结构化分解协调、综合优化设计。充分保证系统的强壮、稳定与可扩充性。

4.1.3 安全性原则

系统需充分考虑网络的安全以及数据的安全。在用户使用过程中，定义了严格权限管理体系，并且实时监测数据访问记录、用户登录记录、配置变更记录等，充分保证系统的应用安全与数据安全。

4.2 系统总体架构

系统采用分布式设计，微服务架构，支持Docker 容器发布，移动端支持IOS 和Android 的发布终端，适用性高。

系统底层为设备终端，通过自主研发设计的物联网网关接入，在网关内部实现基本的边缘计算功能，将各种设备，各种协议的数据统一处理成标准的，安全的输出，送至云服务平台的设备总线。

系统通过设备总线获取各种设备终端数据并将数据存入设备数据湖，进一步经过系统大数据平台模块的加工处理，供各种云平台的应用模块使用。

物联网网关可采用5G 模块技术，大大提高数据传输的效率以及稳定性。

系统云平台应用模块总体来说分为三大类：

实验室信息管理系统（LIMS）

实验室环境管理系统（LEMS）

实验室运维管理系统（LOMS）

总体架构图如图1。

图1

5 平台主要功能

5.1 基础信息管理

实现基础信息管理；实验室分类属性管理、设备分类属性管理、物品分类管理，设备基础信息管理、人员基础信息管理、部门与组织架构管理、人员分组信息管理、角色权限管理。

5.2 人员信息管理

系统提供实验室人员信息管理，包括人员所在的部门，岗位，权限等信息，提供人员部门归属/岗位承担/解除及对应岗位权限继承/解除管理。

5.3 设备信息管理

对设备的更新、添加、借用等实时更新登记。当设备出现故障、非允许范围内移动等情况是，立即联动报警。

5.4 用户权限管理

平台基于角色的用户权限管理，可设置系统功能应用的权限，也可以设置相应的数据权限。

5.5 物联数据共享

系统基于微服务架构开发，为系统的多平台支持、功能扩展、向下向上集成对接、模块嵌入、数据迁移、定制开发等提供成熟、安全、高效的解决方案。

系统采用积木式模块化结构，各子系统及其所属各功能模块均可按需选配、灵活构建。系统向上提供完备、友好、开放的结构、数据、事件接口，可与用户各类上层或平级应用系统联动整合。

支持依据客户需求，定制化开发软件功能，实现物联网数据的共享。支持物联网数据远程采集、查询、下载，满足同平台内数据的共享。

5.6 实验室模型3D可视化处理

BIM 轻量化引擎，可方便地在主流浏览器上进行浏览和交互，同时支持PC 和移动设备。

主要实现功能：

I.自定义监测位置：提供组件型实体监测功能，将模型自定义监测数据，形成出的各个实体和实时数据组合在一起，生成能够在仿真环境下运行的实时监测平台，为监控、监测提供数据源。

II.系统设置：能够将用户的实际环境相结合自定义设置系统。

III.列表式监测数据：提供列表式的数据可进行各种数据修改与绑定，更快捷方便的对应三维场景中的各个对应点号。

IV.360°全景展示：支持全景旋转、缩放各角度查看场景内容。

V.数据统计： 能够对结果数据进行处理和统计，对重要的仿真实体进行数据的提取、统计，支持在线统计分析，最终以图表方式直观的展示出来，为在线和事后分析、回放提供支撑。

5.7 运维管理模块

为了紧跟大数据、物联网和云计算的发展趋势 ，本项目拟对实验室整体进行智能数据系统管理及运维。通过电子化巡检、大数据平台和丰富的报表支撑，提升对相关人员管理水平，助力管理人员决策和政策制定，并将实验室内的实现数据进行统一管理、实时分析，实现实验室数据管理全程闭环。

运维管理实现以下目标：

（1）资源数据统一调度，将数据进行整合，通过平台提供的能力将所常用的运维操作及数据，都整合在智慧实验室云运维平台中，将管理及运维流程尽量的简化，实现自助化运维。

（2）本项目云运维平台实现自动化管理，减少手动操作，实现自动的数据收集、自动应用安装、自动配置和更新、自动数据分析、自动扩展、自动备份恢复等。

（3）多维可视化，以角色重定义运维管理。如网络管理视图，系统管理视图、监控视图、报表视图等。统一报表系统，统一全局数据并提供可自定义多维报表。

运维管理模块主要有以下功能：

I.自动巡检：根据环境监控的数据，智能判断设备问题，自动收集并产生工单。并自动触发工单流程。

II.故障报修：系统提供手工故障报修功能，录入保修内容信息后，自动生成工单，可直接指派给维修人员。

III.运维工单管理：系统提供手工工单录入，录入工单信息后，可直接指派改工单的执行人。系统提供我的代办工单以及已办工单查询。代办工单列表中，可以直接点击进行工单处理。

IV.运维流程自定义：提供对工单流程模版进行新增/修改/删除节点，做到流程格式化、模板化、无代码可配置化。

V.运维数据可视化：云运维平台在数据可视化方面，通过采集器采集信息，通过同步器同步其它平台信息，存储在核心数据库，通过阈值库产生进行对比告警，通过分析函数库进行性能分析，并产生运维需要的报表进行可视化管理。

5.8 物联网网关

实现现场数据采集，编辑成组态画面，最终在触摸屏上显示，实现数据实时监控。同时具有微信报警、钉钉报警、邮件报警功能；还可以转发为BACnet 服务器、Modbus 服务器、OPC UA 服务器、MQTT 服务器，开放HTTP WEB 服务被第三方的系统集成。

物联网网关主要实现以下功能：

智能管理，支持PC、手机端、iPad 等监控，操作性强；

支持200 多种协议采集并转为BACnet 服务器、Modbus 服务器、OPC UA 服务器、MQTT 服务器；

支持JS 脚本，实现逻辑控制；

支持COV 订阅功能；

支持BBMD 跨网关访问；

支持历史存储；

支持线性转换，取位，高低字节转换；

支持内部变量功能，支持查看设备离在线状态；

支持设定多个用户协助管理设备，多重保障；

支持局域网，轻松实现对触摸屏的远程监控；

支持定时的事件触发，可通过自定义函数功能来进行配置；

支持微信、邮件、钉钉等方式发送报警信息；

支持云服务，与云端平台对接，将传感器的数据上传到云端平台。

6 总结

物联网技术在当前5G 建设的推动下，必将迎来飞速的发展。将最新的物联网技术充分运用在实验室管理与运维过程当中，可以准确且全面的分析实验室的环境数据，设备运行数据等，提供新型服务，推动实验室管理向着智慧化的方向不断进步。基于此,本文概述了物联网技术，提出了5G 时代背景下物联网技术在智慧实验室建设中的应用，期望经过本研究为未来的有关研究提供相应的参考。