物联网技术视角下的智慧实验室架构分析

朱振杰

山东大学机械工程学院机械工程国家级实验教学示范中心（山东大学） 山东 济南 250061

引言

高校实验室日常应用的过程中所需承载的教学任务较为繁重，同时实验室所开展的教学活动是高校组织学生进行研究性学习的重要方式。在高校校园信息化建设持续深入的大背景下，高校实验室的信息化水平得到了显著的提升与发展，智慧实验室应运而生。

1 物联网技术视角下智慧实验室的功能需求分析

1.1 环境感知需求

在高校智慧实验室的运作过程中，实验室操作的安全性与个性化控制的数据均来自系统收集到的实验室环境参数，智慧实验室对于环境感知的具体需求主要包括普通物理感知、光照环境感知、气体环境感知和实验室设备感知等多种感知需求，此类的感知数据均由智慧实验室所安装的传感器来进行感知与上传，并通过实验室内部所配置的有线或是无线网络来进行数据向大数据层的传输。

1.2 视频功能需求

在现阶段高校智慧学习的应用过程中，相关工作人员往往会在各个实验室安装多个摄像头来进行实验室视频数据的摄像头采集，摄像头采集的视频数据则会通过专用网络传输到智慧实验室的大数据模块，管理人员则可通过大数据模块的计算机或是手机终端来实时观看和掌握每间智慧实验室的运作情况，如师生的活动情况和各项软硬件设备的运作情况等[1]。

1.3 智能控制需求

由于各个智慧实验室都安装了气体、烟气、温度和湿度等指标的传感器与控制器，因此控制系统需要通过传感器和控制器来智能监控与控制之后显示中的各类物理指标，同时应通过传感器上传的数据来综合分析和操控实验室各设备的运作状态。

1.4 数据分析需求

在智慧实验室传感器信息上传和分析的过程中，管理员可充分利用传感器所传输的数据来统计与分析实验室各软硬件的使用状态与使用进度，同时智慧传感器平台自身也可通过传感器上传的数据状况来判断设备和系统是否存在异常，进行自动预警与报修操作。

1.5 通信需求

智慧实验室控制系统的计算机和手机终端都应能够通过智慧实验室的无线节点接入到平台的网络当中，教师才可在此基础上有序调动学生间与师生间的无线通信与交互。

2 物联网技术视角下智慧实验室的架构设计

2.1 感知层

智慧实验室的感知层是实验室控制系统信息数据的主要来源，系统运作的主要目的就是对智慧实验室运作过程中的海量数据进行全方位的感知，因此相关操作人员必须全方位分析智慧实验室实体感知层的实际需求与最终信息的传输需求，合理选择传感器与控制器的类别与型号。

感知层主要分为数据感知节点和控制节点这两部分，数据感知节点主要包含人脸识别、物理数据传感和定位监测等数据信息的感知与采集，数据控制节点则主要负责接收这些是用户层面或是软硬件应用层面传输的系统指令，可借助信息传输来完成插座供断电、多媒体自动化远程控制和其他软硬件的自动控制操作。

除此之外，感知层所应用的智能读卡器和人脸识别系统能够充分利用智能实验室的用户信息来进行用户个体的考勤与操作管理，同时也能够全方位记录学生的实验情况和学习情况。

2.2 网络层

智慧实验室的网络层主要是借助无线信号、有线网络和WiFi等来为智慧实验室内部与外部的通信提供网络支持，能够有效保障感知层与数据层等各层间网络通信的顺畅性，同时也面向各智慧实验室用户提供通信服务。

2.3 大数据层

智慧实验室的大数据层主要负责接收感知层传输至数据库的大量数据，而后对这部分数据进行综合的分析挖掘和同构化处理，并将数据操作与处理的结果传输至应用层，并在此过程中将接收到的基础设施异常情况进行自动化的分析与传输。

2.4 应用层

智慧实验室的应用层主要包括实验室系统的集成与远程控制平台，集成平台主要将实验室的软硬件设备、用户与实验数据和视频数据进行集成化处理，并在数据高度共享的基础上设置相应的正常化运作阈值，同时在此基础上生成实验室使用情况和学生学习情况的汇总表，能够为智慧实验室的个性化教学提供准确支持。

2.5 用户层

智慧实验室的用户层主要通过计算机和手机终端等设备来进行用户操作的完成与传输，教师和学生能用户都能够通过用户层来进行软硬件设备的预约和信息数据的分析，同时智慧实验室的管理人员也能够通过用户层来查看和分析智慧实验室的管理与操作软硬件状态。

3 物联网技术视角下智慧实验室的应用方案设计

相关工作人员可结合智慧实验室Zig Bee协议的应用实况来设计实验室的网络拓扑，在相应的位置设置感知节点、路由器和网关，同时在智慧实验室的环境感知层设置各类物理数据的传感器网络，在自动控制层设置实验室软硬件的自动控制网络，同步应用RFID技术来整合智慧实验室的固定资产与资源。

与此同时，还应构建与智慧实验室相对接的教学共享平台子系统，子系统可根据这个实验室传输的有线与无线信息来实时查询与分析每个学生的参与学习情况，进而基于此来为学生提供个性化的学习状态分析。

4 结束语

综上所述，本文基于物联网技术概念的基础上设计了海量数据采集与信息处理的智慧实验室技术思路，构建了智慧实验室的感知层、网络层、大数据层、应用层和用户层这五层实验室架构，在智慧实验室操作系统的完善与建设方面具有良好的参考价值。