基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室研究

伍星鑫　李佳音　陳婷

摘 要：本文結(jié)合高校實驗室現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)實驗室設(shè)備、人員和環(huán)境等存在的問題，提出構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室，從硬件和軟件兩方面提高實驗室的利用率和安全性。當前，要充分利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強實驗室設(shè)備的內(nèi)部聯(lián)系，進行信息交換和通信，提高實驗室的利用率和智能化水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能實驗室;射頻識別;ZigBee

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0033-02

Research on Intelligent Laboratory Based on Internet of Things

WU Xingxin LI Jiayin CHEN Ting

（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Based on the current situation of university laboratories and the problems existing in traditional laboratory equipment， personnel and environment， this paper proposed to build an intelligent laboratory based on Internet of Things， which improved the utilization and security of the laboratory from both hardware and software. At present， it is necessary to make full use of the Internet of Things and Internet technologies， strengthen the internal links of laboratory equipment， exchange information and communication， and improve the utilization rate and intelligence level of laboratories.

Keywords： Internet of Things;intelligent laboratory;Radio Frequency Identification （RFID）;ZigBee

高校實驗室是提高學生實踐、創(chuàng)新能力的重要實踐環(huán)境，在高校日常教學中的作用和地位是無法代替的。所謂智能實驗室，是指將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實驗室的設(shè)備和管理上[1]。物聯(lián)網(wǎng)是指通過RFID（射頻識別）、WIFI（無線網(wǎng)絡(luò)）、ZigBee（無線傳感器）和GPS（定位系統(tǒng)）等設(shè)備傳感器，按照預先約定的協(xié)議，把各物品和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息采集、信號傳輸與交換以及通信處理，對連接到網(wǎng)絡(luò)的對象進行智能識別、跟蹤、監(jiān)視、定位和管理[2，3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室最主要的目的就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造智能化的實驗室。智能實驗室依托智能化系統(tǒng)，分析和處理傳感器等硬件采集到的數(shù)據(jù)，然后反饋給相關(guān)硬件設(shè)備，使其改變狀態(tài)，將重要數(shù)據(jù)反饋至管理者。智能實驗室分為四個模塊，即采集模塊、傳輸模塊、處理模塊和應(yīng)用模塊，如圖1所示。

1 采集模塊

物聯(lián)網(wǎng)通過各類RFID（射頻識別）、溫濕度傳感器、

光線傳感器、門禁、攝像頭、定位系統(tǒng)（GPS）、智能化節(jié)能設(shè)備和智能化考勤設(shè)備等，采集實驗室溫濕度、亮度、能耗和實驗設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)獲取信息的傳感設(shè)備，采用非接觸式自動識別技術(shù)進行數(shù)據(jù)的雙向通信，利用無線射頻方式對電子標簽或射頻卡進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。其中，低頻RFID設(shè)備可用來識別身份等，高頻RFID設(shè)備可通過多標簽識別技術(shù)應(yīng)用在實驗設(shè)備管理中。

對溫濕度和光線有一定要求的實驗室，可以通過設(shè)置對應(yīng)的數(shù)值，輔以空調(diào)、燈光等將實驗室環(huán)境調(diào)控至理想環(huán)境;采用門禁，可有效防止校外無關(guān)人員進入實驗室;攝像頭的布置安裝需提前設(shè)計好角度，形成一個既可以監(jiān)控實驗室全部空間，又可以對部分地方進行特寫的布局;對于貴重試驗儀器設(shè)備，可在其中安裝GPS芯片，防止被盜造成損失;智能化節(jié)能設(shè)備可在實驗室無人使用的狀態(tài)下關(guān)閉所有設(shè)備，達到節(jié)能效果;智能化考勤設(shè)備可以記錄學生試驗情況和教師出勤情況。

2 傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸在智能實驗室建設(shè)中具有承上啟下的作用。實驗室中所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)和個人終端產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)必須經(jīng)過傳輸模塊傳送到處理模塊進行處理。其中，ZigBee（也稱紫蜂）網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點三部分組成，可構(gòu)成樹型、星型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用場合不同，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)平臺。在計算機實驗室環(huán)境下，由于區(qū)域小，故采用星型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，路由節(jié)點和終端節(jié)點可以直接與協(xié)調(diào)器進行通信，該拓撲結(jié)構(gòu)控制和同步簡單，對于無源傳感器或有源傳感器都有著良好的適用性，同時也可以保證數(shù)據(jù)的傳輸速度。利用WLAN（Wireless Local Area Network）通信技術(shù)，可將實驗室內(nèi)不同設(shè)備、傳感器所發(fā)送的信息集中起來，傳送到處理模塊。當使用者未在實驗室時，則需使用個人終端利用3G、4G或5G網(wǎng)絡(luò)對實驗室進行查詢和控制等操作。

3 執(zhí)行模塊

人工智能實驗室的管理系統(tǒng)支撐著人工智能實驗室，處理來自多方的數(shù)據(jù)信息并給出處理結(jié)果。智能實驗室管理系統(tǒng)面向的對象主要是學生、教師、實驗室管理員和系統(tǒng)管理員。學生可以進入智能平臺查詢實驗室信息、相關(guān)設(shè)備信息和試驗內(nèi)容等信息。教師可以通過智能平臺查詢實驗課信息、試驗儀器相關(guān)參數(shù)、學生試驗情況和試驗設(shè)備報修等內(nèi)容。實驗室管理員將學生、教師、設(shè)備、試驗用品等信息錄入系統(tǒng)，根據(jù)實際情況及時將各類信息同步至智能系統(tǒng)中，供學生、教師查詢最新實驗室相關(guān)信息。系統(tǒng)管理員根據(jù)實驗室的建設(shè)和更新，及時增加系統(tǒng)中相應(yīng)功能，設(shè)置學生、教師、實驗室管理員的相關(guān)權(quán)限，對系統(tǒng)定期進行維護。

智能系統(tǒng)需處理來自實驗室的各類傳感器數(shù)據(jù)，并將實驗室信息公開供學生、教師查詢，實現(xiàn)開放式功能。學生根據(jù)信息調(diào)整相關(guān)試驗計劃和試驗時間等，教師可以通過個人終端設(shè)備，提前將實驗室環(huán)境設(shè)置到教學所需要的數(shù)值，申請教學所需設(shè)備、試驗用品等。智能管理系統(tǒng)可以將整個學校的試驗實訓設(shè)備整合，實現(xiàn)資源共享，形成開放式實驗室，從試驗時間、試驗項目、試驗儀器的選取到方案的制訂、項目的實施等，讓學生自主完成。

4 應(yīng)用模塊

采集、傳輸和處理模塊最終服務(wù)于應(yīng)用模塊。依靠前面三個模塊的控制和計算結(jié)果，實驗室的智能性才可以凸顯。智能實驗室可以對實驗教學、實驗資源、實驗環(huán)境、實驗安全和實驗?zāi)茉吹冗M行可視、集中、高效的管理。

實驗教學智能化主要是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一套全方位的教學方案，解決課下學生無法進行實驗的問題，并制定課堂考勤方案，提高教學質(zhì)量、教學效率。實驗設(shè)備智能化通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一套實驗設(shè)備智能化管理方案，降低實驗室設(shè)備的丟失率和損壞率，提高實驗設(shè)備的利用率，讓實驗設(shè)備智能化。實驗環(huán)境智能化可以對實驗室錯綜復雜和多變的環(huán)境集中進行可視化管理，教師或者管理員按照規(guī)定的環(huán)境要求對實驗室環(huán)境進行調(diào)控。實驗安全智能化利用傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋結(jié)合視頻監(jiān)控，全方位監(jiān)控實驗室安全，通過智能實驗室管理系統(tǒng)準確定位存在的問題并進行智能化處理，同時將信息發(fā)送至實驗室管理員終端設(shè)備。實驗?zāi)茉粗悄芑赐ㄟ^智能實驗室管理系統(tǒng)的計算處理結(jié)果，相應(yīng)調(diào)控實驗設(shè)備狀態(tài)，達到節(jié)能減排、降低成本的目的。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，同時也是未來信息產(chǎn)業(yè)競爭的制高點，是智能產(chǎn)品升級的核心競爭力?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能實驗室為學生和教師上實驗課帶來了極大的便利，但同時還存在一些問題，需要人們進行更深層次的研究和探索。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室將不斷更新和應(yīng)用，從而提升師生對智能實驗室的體驗感和認同感。

參考文獻：

[1]倪鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化管理系統(tǒng)的研究[J].吉林省經(jīng)濟管理干部學院學報，2014（10）：27-29.

[2]周春月，閆子淇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室架構(gòu)研究[J].實驗室研究與探索，2014（5）：239-243.

[3]李紅麗，馬耀鋒.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實驗室管理系統(tǒng)[J].福建電腦，2017（12）：30-31.