伍星鑫　李佳音　陳婷

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

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能實(shí)驗(yàn)室;射頻識(shí)別;ZigBee

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)室是提高學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力的重要實(shí)踐環(huán)境，在高校日常教學(xué)中的作用和地位是無(wú)法代替的。所謂智能實(shí)驗(yàn)室，是指將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和管理上[1]。物聯(lián)網(wǎng)是指通過RFID（射頻識(shí)別）、WIFI（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）、ZigBee（無(wú)線傳感器）和GPS（定位系統(tǒng)）等設(shè)備傳感器，按照預(yù)先約定的協(xié)議，把各物品和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息采集、信號(hào)傳輸與交換以及通信處理，對(duì)連接到網(wǎng)絡(luò)的對(duì)象進(jìn)行智能識(shí)別、跟蹤、監(jiān)視、定位和管理[2，3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室。智能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室分為四個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)室溫濕度、亮度、能耗和實(shí)驗(yàn)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(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向通信，利用無(wú)線射頻方式對(duì)電子標(biāo)簽或射頻卡進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的。其中，低頻RFID設(shè)備可用來(lái)識(shí)別身份等，高頻RFID設(shè)備可通過多標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理中。

對(duì)溫濕度和光線有一定要求的實(shí)驗(yàn)室，可以通過設(shè)置對(duì)應(yīng)的數(shù)值，輔以空調(diào)、燈光等將實(shí)驗(yàn)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(wú)關(guān)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室;攝像頭的布置安裝需提前設(shè)計(jì)好角度，形成一個(gè)既可以監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室全部空間，又可以對(duì)部分地方進(jìn)行特寫的布局;對(duì)于貴重試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室無(wú)人使用的狀態(tài)下關(guān)閉所有設(shè)備，達(dá)到節(jié)能效果;智能化考勤設(shè)備可以記錄學(xué)生試驗(yàn)情況和教師出勤情況。

2 傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸在智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中具有承上啟下的作用。實(shí)驗(yàn)室中所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)和個(gè)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(jìn)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(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三部分組成，可構(gòu)成樹型、星型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)可以直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制和同步簡(jiǎn)單，對(duì)于無(wú)源傳感器或有源傳感器都有著良好的適用性，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同設(shè)備、傳感器所發(fā)送的信息集中起來(lái)，傳送到處理模塊。當(dāng)使用者未在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，則需使用個(gè)人終端利用3G、4G或5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行查詢和控制等操作。

3 執(zhí)行模塊

人工智能實(shí)驗(yàn)室的管理系統(tǒng)支撐著人工智能實(shí)驗(yàn)室，處理來(lái)自多方的數(shù)據(jù)信息并給出處理結(jié)果。智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)面向的對(duì)象主要是學(xué)生、教師、實(shí)驗(yàn)室管理員和系統(tǒng)管理員。學(xué)生可以進(jìn)入智能平臺(tái)查詢實(shí)驗(yàn)室信息、相關(guān)設(shè)備信息和試驗(yàn)內(nèi)容等信息。教師可以通過智能平臺(tái)查詢實(shí)驗(yàn)課信息、試驗(yàn)儀器相關(guān)參數(shù)、學(xué)生試驗(yàn)情況和試驗(yàn)設(shè)備報(bào)修等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室管理員將學(xué)生、教師、設(shè)備、試驗(yàn)用品等信息錄入系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)將各類信息同步至智能系統(tǒng)中，供學(xué)生、教師查詢最新實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息。系統(tǒng)管理員根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和更新，及時(shí)增加系統(tǒng)中相應(yīng)功能，設(shè)置學(xué)生、教師、實(shí)驗(yàn)室管理員的相關(guān)權(quán)限，對(duì)系統(tǒng)定期進(jìn)行維護(hù)。

智能系統(tǒng)需處理來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的各類傳感器數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)室信息公開供學(xué)生、教師查詢，實(shí)現(xiàn)開放式功能。學(xué)生根據(jù)信息調(diào)整相關(guān)試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)時(shí)間等，教師可以通過個(gè)人終端設(shè)備，提前將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)置到教學(xué)所需要的數(shù)值，申請(qǐng)教學(xué)所需設(shè)備、試驗(yàn)用品等。智能管理系統(tǒng)可以將整個(gè)學(xué)校的試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備整合，實(shí)現(xiàn)資源共享，形成開放式實(shí)驗(yàn)室，從試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)儀器的選取到方案的制訂、項(xiàng)目的實(shí)施等，讓學(xué)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(gè)模塊的控制和計(jì)算結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室的智能性才可以凸顯。智能實(shí)驗(yàn)室可以對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)安全和實(shí)驗(yàn)?zāi)茉吹冗M(jìn)行可視、集中、高效的管理。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能化主要是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套全方位的教學(xué)方案，解決課下學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問題，并制定課堂考勤方案，提高教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效率。實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能化通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能化管理方案，降低實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的丟失率和損壞率，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，讓實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能化。實(shí)驗(yàn)環(huán)境智能化可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室錯(cuò)綜復(fù)雜和多變的環(huán)境集中進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室安全，通過智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)準(zhǔn)確定位存在的問題并進(jìn)行智能化處理，同時(shí)將信息發(fā)送至實(shí)驗(yàn)室管理員終端設(shè)備。實(shí)驗(yàn)?zāi)茉粗悄芑赐ㄟ^智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的計(jì)算處理結(jié)果，相應(yīng)調(diào)控實(shí)驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)，達(dá)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(shí)也是未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，是智能產(chǎn)品升級(jí)的核心競(jìng)爭(zhēng)力?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生和教師上實(shí)驗(yàn)課帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)還存在一些問題，需要人們進(jìn)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(shí)驗(yàn)室將不斷更新和應(yīng)用，從而提升師生對(duì)智能實(shí)驗(yàn)室的體驗(yàn)感和認(rèn)同感。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的研究[J].吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，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(shí)驗(yàn)室架構(gòu)研究[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)[J].福建電腦，2017（12）：30-31.