基于物联网的智慧实验室建设——以电子基础实验室为例

杨红，孟庆党，雷印杰

（四川大学 电子信息学院，四川 成都）

随着信息技术的高速发展，具有物联化、互联化、智能化三要素（三化）的“智慧地球”逐渐成形[1-2]。在“智慧地球”的带领下，各类城市或园区对“智慧城市”“智慧园区”“智慧校园”等一系列衍生概念进行了实质性的建设。现代化进程中高校的智慧化建设日趋热烈，主要有四个目标：感知数据、关联信息、分析转化和智慧管理[3]。高校实验室承担着公共基础实验的教学、各类专业软件仿真、虚拟测试实验、仪器设备实践教学、产品调试及测试等众多教学或科研的任务，是非常重要的教学场所。

以前老旧的传统实验室需要根据各类课程教学内容，设置不同属性的实验环境，搭建不同的教学条件。如何摆脱传统实验室使用和管理上面临的各类困境，提高现有实验室的管理水平和利用率，同时与当前“智慧校园”建设同步升级，打造绿色环保、智能舒适的现代智慧实验室是当前实验室建设领域研究的热点。

四川大学电子信息学院的电子基础智慧实验室以提供更好的实验、科研、教学服务为目的，整合了设备仪器、实验教学环境，实现了开放共享服务、统计分析等工作内容，同时提高仪器设备使用率，可完成更规范的管理和服务。本文基于该实验室等建设思路，介绍物联网智慧实验室的设计及构建。

一 智慧实验室功能描述

作为“智慧校园”建设重要组成部分之一的“智慧实验室”自然也要注重三化建设及四个目标的实现[3]。因此，智慧实验室的概念及实现的功能可做如下定义：

1.物联化：将随时随地可感知、可测量、可捕获和可传递信息的传感器等设备，以物联网为基础完成链接[1]；通过智慧实验室的建设使各级领导和广大教师更新实验教学观念，同步更新学生的学习方式及学习激情，树立理论知识与实验操作并重的理念。

2.互联化：提供各类实验课程的过程化数据以供管理人员进行管理优化，并且统一数据管理为实验教学提供决策支持；提高学生理论转化为实践操作的能力，提升学生自主学习和创新能力[2]。

3.智能化：通过各种通信网络，利用大数据、资源共享等手段，实现智慧控制实验室光线、温度、门锁、虚拟桌面等环境参数，让实验室环境更具可持续发展潜力；通过相互协调的人才培养体系，为学生搭建一个可自主化、个性化学习、共享的实验教学环境，这些优良的学习环境可进一步激发学生的学习热情和自觉性。

在四川大学电子信息学院智慧实验室建设及管理功能设计中，设想建设的智慧实验室应具备如图1所示的8大功能：智慧门禁、数字信息展示互动屏、智能物联、资产管理系统、实验台整洁度分析、物联网实训、24小时无人值守、智能管控。依据智慧校园的技术特性，同时基于智慧实验室的功能规划，我院开展了电子基础实验室的智能化改造工作，拟围绕该实验室的物联化、互联化、智能化3个方向来进行建设和实现，本论文以下内容分别围绕这三个方向进行介绍。

图1 建设的智慧实验室功能描述及示意图

二 电子基础实验室的物联化建设

电子基础智慧实验室有实验桌25张、一体机电脑25台、实验设备25套、吸顶空调2台、环境监测设备一套、网络设备一套，可容纳约80名学生进行实验。该实验室的设备众多且功能复杂，所以物联化建设非常重要。智慧物联的升级改造工作主要围绕云端网络建设和物联网链接等方面展开。

（一） 云端网络建设

云端网络建设是使用云终端、云系统、云存储等设备，结合现有电脑终端科技将电子基础实验室的硬件资源（监控摄像机、移动或手持设备、电脑和多媒体终端、传感器、实验设备等）虚拟化，比如将使用这些设备的系统都存于云端数据中心；该云端网络建设也即将涉及人、财、物在内的实验室相关信息，通过建设的物联化平台快速获取及分析数据，以便于管理员或任课教师立即采取应对措施和进行中长期规划[4]。

还去大连？你是不是还想着付玉？我怕你再和付玉搅合在一块儿，这个女人可不是个好东西，你让她害的还不够？可别鬼迷心窍。再说，你爹娘是在大连出的事，咱要去那儿，不是心里不舒服吗？

（二） 物联网链接建设

为了实现特定的实验室环境，我院电子基础实验室物联网链接建设初步实现了如图2所示的功能，主要是以下两点：

图2 智慧物联建设中的各模块图

1.环境智能控制：通过温湿度传感器和空气检测仪自动判断空气质量，配合空调伴侣及智能管控平台实现温湿度自动调节功能；音量传感器节点监测实验室各角落的噪音情况；光线传感器捕获自然光强度，搭配智能管控平台，实现窗帘的自动开启与闭合，并实现室内灯光的自动补光调节。

2.应用监测：用于监测实验室的摄像头除了可以对环境、安全情况进行监控外，还可以对学生设备操作的规范性进行监测；通过智能开关面板配合智能管控平台，实现灯具远程开关，定时开关与一键开关；实验室门禁系统设置为自习和上课两种模式。

综上所述，我院通过整合现有机房所有的IT技术及资源构建的电子基础智慧实验室具有如下优势：降低了硬件设备采购成本，并提高了实验室的利用率；所有的教学资源都由“云端网络”提供，在权限许可的情况下实现随时随地随意获取资源，提供学生多方位的学习支持；还降低了终端系统升级维护、日常管理维护的难度；其中物联网建设环节需要将大量基础设施、设备等建设完成后，再利用无线互联技术，将各类传感器（温度、湿度、光度等）、制动器（窗帘等）与控制器（遥控等）进行无线连接；通过物联化将大量传感器获得的信息和设备的使用、控制等工作实现集成化统一管理，用以收集和管理这类信息数据，然后将捕获的数据等信息传输到互联化模块进行应用，进一步实现数据处理、提炼与集成。

三 智慧实验室的互联化建设

互联化建设的主要职责是：利用无线网、电信网、蓝牙、红外等可互联的网络及各自优势，通过将传感器（温度、湿度等）、摄像头（图像等）、GPS（位置信息等）、个人电子设备（手机、电脑、平板等）等设备及信息连接起来进行交互式通信，实现各类硬件设备之间的互联互通、资源共享、人性化互助，从而获取终端分析所需要的数据，并实现数据存储和管理功能，最终实现数据中心的建立。

我院建设的电子基础智慧实验室，互联化的数据主要从实验室管理系统和捕获物联模块中获得[5]。最终，这些有用数据都会按照某种约定好的协议或是web服务等方式送入到互联层，汇总到各类数据中心[6]。然而，这些数据的来源各不相同，数据格式也不一致，这给数据中心的数据处理带来非常大的困难。

所以，在本实验室的智能化改造过程中，需要提前给这些数据的互联规定如何进行分析、整理的方案：首先将收集好的数据映射到所关注的各类大/中/小型事件中，构成基于处理模块系统的事件处理服务块；然后将这些有用数据逐一融合到存在于某个学校部处、学院某个科室规定的其他相关事件服务块；接下来进一步筛选及过滤掉原始数据，再对数据进行各种不同应用领域的建模、识别及关联，如此便获得了丰富的数据来源；最后可进一步拓展系统的应用领域，利用监控业务流程进行信息的优化，为实验室管理员以及其他相关人员（学院领导、任课教师、上课学生、自习学生等）提供更精准的信息。具体的方案流程图如图3所示。

图3 数据互联化的分析整理方案图

若物联化是将所有设备、仪器等连接起来构成了一个初期的小型物联网，那么互联化构建了这些设备信息、数据互通，资源共享的一个数据平台。从上面的分析可以获得互联化的贡献是：将来自于物联化终端设备和管理系统软件等模块各方面的大量数据转化为与系统事件（大/中/小型事件）相关的信息，经过对应各自领域管理系统的处理后，再将这些有用信息或数据发送给智能化平台、设备、终端，以便进行进一步的分析、监控和管理[3]。

四 智慧实验室的智能化建设

随着各类应用程序和专业软件的发展，促使数据分析处理和可视化信息应用的范围扩大，使得智慧实验室的智能化建设可更好地利用互联化终端设备所提供的数据或信息。在智能化建设过程中可以通过应用分析、收集其他相关数据来执行结果预测，其优势是：提高风险洞察力、优化风险管理、完善场景建模，并获得决策过程优化及更准确地预测结果[7-8]。

此外，数学工具和统计算法可以对系统数据进行进一步的集成，从而拓展智能化建设的应用范畴。我院通过可用数据对各部处通知的事件进行深入的关注和洞察，建设了如下三个功能的智能化管理应用模块，如图4所示，其中各模块的详细描述如下：

图4 智慧实验室的智能化建设模块图

1.人员监测和开放共享：首先对维护人员进出设备间进行授权；再通过门禁系统或视频摄像头对实验室内人员的状况、密度、灵敏度等进行实时监测（若有人员出现高度密集、扭打或者在非正常时间段进出设备间等情况，系统会及时通知后台管理员，同时记录非正常人员的进出、恶劣程度等情况），从而保证实验室设备及运行环境、人员的安全；该监测系统通过班牌来显示空闲工位或桌位信息，以方便教师或学生进行集体或者个人的预约使用，提高实验室的利用率和共享率。

2.电力监测和远程控制：对实验室内的220V电源、强弱电配电箱、UPS电源、防雷电系统等电力、动力设备实施远程集中管理和监测，充分保障实验室内各动力系统的正常运行；同时对照明亮度、空调控制、电源安全管理、网络设备协调、大型仪器设备使用等硬件的使用全过程进行远程控制和监测，确保学校财物的安全。

3.环境监测：通过室内桌面定位摄像头及光线传感器，可自动调节实验室中各桌面上对应照明灯的亮度、色调、柔度及计算机屏幕的亮度，并可根据室外光照强度对窗帘开启程度、光照强度等进行调整；通过监控设备对实验室内人员密度、湿度、温度及二氧化碳浓度等信息进行监测，进而设置通风自动调节情况和空调温度等。

我院电子基础智慧实验室的智能化建设可实现对实验室场地、使用人员、应用设备、外围环境与安全的综合管理，而且可对设备维修、借用和共享、使用申请、收费管理、授权管理等常规业务进行网络化、数字化的辅助管理，从而实现实验室的流畅使用。

五 结语

智慧实验室通过物联网、云端物联、大数据、人工智能和移动互联等现有前沿技术，通过物联感知、智能化等多维建设模式，将高校实验室中的硬件设备、基础设施、软件数据、学习环境和科研设备等链接起来，达到无人管理和智能监控，从而保障已建成智慧实验室的安全管理，营造一个舒适的、智能的实验环境。此外，智慧实验室的建设还可以减轻实验室管理人员的工作负担，提高各位任课教师的工作效率和上课水平，同时还为实验室建设、教学评估及教学质量监管等各项重要工作提供基础数据支持和重要数据分析；通过收集学校的相关信息，优化实验室使用，将数据—信息—知识—智慧四者之间的转化流程，为学院做出正确的决策提供技术支撑。在不久的将来，以信息技术应用为主力军的智慧实验室建设势必加快整个校园智慧化的进程。