基于物联网架构的高校智慧实验室关键技术

裴慧华

（北部湾大学，广西 钦州 535011）

0 引言

互联网技术的发展，为教育信息化发展提供了技术支持。在国家的大力支持下，基于人才培养质量和教学创新改革的要求，高校积极完善各种基础设施建设。针对实验室的建设、管理，高校也在积极探索借助互联网、物联网等技术创新实验室建设，为人才培养和科学研究提供良好的物质基础。深入分析高校智慧实验室构建的关键技术，能为高校实验室建设及技术的推广应用提供理论参考。

1 物联网及智慧实验室概述

物联网（Internet of Things，IoT）是在互联网、移动通信网的基础上，充分利用具备感知能力、信息传输能力以及计算能力的物理设备，根据协议规定，将各自独立的物品与互联网相连，进行信息通信，实现物与物、物与人之间相互感知、智能处理的智能信息网络［1］。

物联网的发展，为智慧实验室的搭建提供了技术支持，大大促进了智慧实验室的建设。当前，学术界对智慧实验室尚未形成统一定义。本文所研究的智慧实验室是指利用物联网、人工智能、云计算等技术，对实验室进行全面智能监控与管理，为高校师生提供实验、科研、教学服务的场所。如图1 所示，智慧实验室的智能监控与管理包括对设备的智能管理、对实验室环境的智能监测、对实验室的远程监控管理以及对历史实验数据的资源获取。由此，智慧实验室能有效实现“设备管理自动化、环境监测实时化、信息获取信息化、实验管理高效化”［2］。

图1 智慧实验室监控与管理模型

2 智慧实验室的系统架构及功能分析

以物联网为基础搭建的高校智慧实验室主要由设备层、互联层以及应用层组成，如图2 所示，高校智慧实验室体系架构自下至上分别是设备层、互联网层以及应用层。其中，设备层是构成物联网的基础，通过大量的无线射频识别装置、传感器设备等，对实验室的环境、设备等各类数据信息进行采集，终端设备可以储存数据、串行通信，能有效统计数据，实现对资源的智慧监控。互联网层作为智慧实验室体系架构的中间层，为智慧实验室提供互联网、4G/5G 网络、无线传感网络、无线局域网络、WiFi 等不同的网络连接形式，为信息传输提供网络基础，使物与物、物与人之间实现及时信息沟通，使移动手机、PC 端等设备能够及时收到信息，进而实现智慧管理［3］。应用层是高校智慧实验室智慧管理和智慧监控的具体体现，综合通过设备层和互联层，实现对实验室的有效监管，避免实验室出现意外、危险等对人体和实验室设备有害的事故。基于物联网三层架构的高校智慧实验室体系能满足智慧实验室的环境监测、设备管理、远程监控及资源获取功能。

图2 高校智慧实验室体系架构

2.1 环境监测

根据实验室体系架构，智慧实验室的环境监测系统主要由3 大部分构成，分别是摄像机和传感器部分、通信设备部分以及终端控制器部分。

首先是摄像头和传感器部分，摄像头可以拍摄到实验室的实时画面信息，并将画面传递至移动终端设备，由终端设备发出指令，对实验室设备进行控制；实验室传感器则根据功能不同可以分为多类，如表1 所示，多种传感器对实验室内的各类数据信息进行收集。其次，传感器所收集到的信息通过服务器等通信设备传输到终端控制器，终端设备对收集到的信息进行分析归纳，及时检测出异常信息并向管理员推送。最后，管理员根据终端推送的信息，及时发送控制指令。

表1 传感器节点及控制点

2.2 设备管理

智慧实验室系统中的设备管理部分包括前期对设备和仪器的申购、登记、档案管理，中期利用无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术对设备实施实时监控，遇到设备故障时能够及时发出警报，后期在仪器设备报废处置过程中实现最大化回收［4］。此外，设备管理还包括实验室的预约使用、权限授予等管理工作。

2.3 远程监控

远程监控部分与环境监测和设备管理密不可分。远程控制能够通过摄像头随时查看实验室内的相关状况，对设备进行控制、发出指令等。此外，智慧实验室作为承担高校实验教学的重要场所，远程监控系统能帮助教师开展线上实验活动。教师可以在远程终端观察学生的实验过程，及时进行指导，实现远程指导实验以及实验操作协同化［5］。

2.4 资源获取

智慧实验室的资源获取包括资源信息化以及资源利用便捷化两大部分。资源信息化是师生将一些传统的纸质报告、讲义等实验内容转换为数字化信息资源；便捷性是指使用者快速查询到历史实验数据，达到实验数据共享的效果，有助于提升实验效果。

3 高校智慧实验室系统关键技术分析

3.1 传感器技术

传感器作为信息化技术的重要组成部分，通过对外界的感知，能够有效读取某些环境、设备的信息状态。传感器进行信号传递时，需要完成信号的转换。如图3 所示，传感器主要由敏感元件和转换元件组成［6］。其中，信号转换的基本器件为敏感元件，主要完成模拟量到电信号的转换。转换元件则是将测量得到的信号转换为电量的基本器件，也是传感器的核心元件。随着新型传感器的研发，传感器应用的范围更加广泛。高校智慧实验室系统架构以传感器作为感知设备，综合运用多种传感器对实验室环境进行实时监控。例如，烟雾传感器能时刻监测室内烟雾信号，及时发现存在的火灾隐患，并发出信号。

图3 传感器的基本构成

3.2 RFID 技术

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，也称为射频识别技术，是起源于20 世纪90 年代的一项非接触式自动识别技术［7］。通过无线射频识别技术，无需接触，即可识别目标对象，且精准度较高，扫描识别快捷。RFID 系统基本由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据交换与管理系统（Processor）三部分组成，它们之间主要采用无线通信的方式实现数据交换。电子标签多由天线、芯片以及底层组成，用于储存实验室设施、设备等资产的数据。每一个标签都具有唯一的编码，将其粘贴在设备上，通过电磁波实现与阅读器之间的数据交换［8］。阅读器是用来读取电子标签信息，对实验室资产设备进行监测与记录的无线识别系统的底层设备。电子标签包含的数据信息通过天线进入阅读器射频模块，阅读器再对其进行识别。数据交换与管理系统对收集到的数据进行解调、解码，再传递给计算机系统，通过可视化技术进行界面显示。

3.3 互联网技术

互联网，即由互相连接的网络所构成的庞大网络。互联网技术的发展使信息传递变得更便捷、更快速，是实现高校智慧实验室智慧管理不可或缺的技术之一。随着科技的进步，无线接入技术水平大大提升，助力局域网、无线局域网、无线城域网等无线网络的构建。物联网是对互联网概念的延伸与应用，在互联网技术的支持下，实现人与人、人与机之间的信息传递。高校智慧实验室控制终端设备须通过互联网来实现对数据库数据信息的查询。

3.4 嵌入式技术

嵌入式技术是助力计算机设备实现特定功能的关键技术之一。嵌入式系统包括硬件部分与软件部分。硬件部分主要包括微控制器、外部存储以及鼠标、输入设备等外部硬件设备。而软件部分则是整个系统的核心要素，软件可以下载到Flash、EPROM 以及ROM 等存储体中，在系统软件没有被更改或添加功能的情况下，下载好的嵌入式软件无须更改［9］。嵌入式系统的应用范围广泛，实验室工具、设备等，都离不开嵌入式系统的支撑。

4 结语

基于物联网架构的高校智慧实验室能有效实现设备管理自动化、环境监测实时化、信息获取信息化以及实验管理高效化。本文深入分析了智慧实验室系统架构及其关键技术，有助于高校智慧实验室的推广应用。