基于物聯(lián)網技術的智慧實驗室架構研究

周春月， 閆子淇

（北京交通大學電子信息工程學院，通信與信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100044）

基于物聯(lián)網技術的智慧實驗室架構研究

周春月， 閆子淇

（北京交通大學電子信息工程學院，通信與信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100044）

為使高校實驗室適應于不斷變革發(fā)展的環(huán)境，滿足實驗教學、管理、服務的開放性和協(xié)同化需求，實現(xiàn)“引領創(chuàng)新、培養(yǎng)人才”的教學目標，探討了物聯(lián)網技術在高校實驗室管理中的應用模式和內容，提出了“智慧實驗室”系統(tǒng)的設計思想，即利用互聯(lián)網技術、物聯(lián)網技術及嵌入式技術來構建一個虛實結合、軟硬兼顧、內外相聯(lián)的實驗室信息系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗資源管理信息化、管理教學高效化、實驗室服務網絡化的三位一體設計目標。基于“智慧實驗室”的概念，提出了系統(tǒng)的三級體系架構模型，并對模型中各層功能結構的設計方案進行詳細討論。

物聯(lián)網;智慧實驗室;智慧服務

0 引言

高校實驗室承擔著培養(yǎng)學生自主性和研究性學習能力、創(chuàng)新意識、工程素質、創(chuàng)新能力等重要任務。近年來，在高校校園信息化建設的大力推動下，實驗室的信息化程度得到顯著提高。但同時，單一的信息系統(tǒng)管理模式仍無法完全滿足教學、科研等活動日益增長的需要。未來的高校實驗室需要依托數(shù)字化校園環(huán)境，充分利用先進的感知、協(xié)同、控制等前沿技術，優(yōu)化實驗資源配置，為實驗室管理、教學、環(huán)境提供資源高度可控、統(tǒng)一協(xié)調的智慧化服務。物聯(lián)網是近年來發(fā)展迅猛的技術領域之一，其相關技術能為實現(xiàn)實驗室智慧化提供強有力的支撐。

1 智慧實驗室概念及背景

1.1 高校科研實驗室信息化現(xiàn)狀

目前，我國高校的實驗室大多歸口實驗室設備處或211工程建設辦公室統(tǒng)一管理，從設備的招標采購到臺帳管理基本都引入了信息化系統(tǒng)，部分高校還建立了大型儀器設備的共享平臺。但在設備使用的具體地點，如學院的實驗室、機房，對儀器設備的日常維護和損耗維修依然停留在紙質記錄和人工管理的方式上，缺乏布局上的整體性和連貫性。高校實驗室的信息化還存在以下亟待解決的問題。

(1)設備管理非自動化。教學儀器和設備分布離散、管理難度大、無專人管理和保養(yǎng)等;信息獲取被動，存在空間障礙，對設備數(shù)量和種類繁多的實驗室，管理人員難以準確快速定位、跟蹤設備使用和維護。

(2)安全管理非智能化。實驗室安全管理難以形成穩(wěn)固的體系，對各類潛在危險的警告系統(tǒng)尚不完善，只能依賴于管理人員的責任心。隨著大量開放式實驗教學的開展，對于人員的智能監(jiān)控的要求越來越高。

(3)環(huán)境管理非低碳化。機房的溫濕度、粉塵、噪聲等指標未實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控和管理;實驗室照明、設備供電、機器用電難以實現(xiàn)自動化調節(jié)，造成資源浪費。

(4)資源管理非共享化。不同院系實驗室之間存在著資源利用和分配不協(xié)調，資源共享難以實現(xiàn)，存在設備“孤島”現(xiàn)象。

1.2 物聯(lián)網與智慧校園

1.2.1 物聯(lián)網概念及特點

近年來，物聯(lián)網已被定位為我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)、信息產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展新的增長點。以“全面感知、泛在互聯(lián)、智慧應用”為特征的物聯(lián)網概念不斷深入人心，其中與實現(xiàn)“泛在互聯(lián)”相關的通信技術是構成物聯(lián)網的重要基礎之一［1］。

物聯(lián)網的實質是泛在網絡融合協(xié)同的一種網絡工作模式，是泛在網絡及信息化在行業(yè)應用角度的一個重要體現(xiàn)。它是由智能感應設備、傳輸網絡和應用控制網絡系統(tǒng)構成，最終實現(xiàn)物與物、人與物之間的自動化信息交互與處理的智能網絡，物聯(lián)網具有以下三個重要特征［2］。

(1)全面感知。物聯(lián)網通過部署海量的RFID、傳感器、二維碼等信息源，隨時隨地獲取物體的信息，包括用戶位置、周邊環(huán)境、個體愛好、身體狀況、情緒、環(huán)境溫度、濕度，以及用戶業(yè)務感受、網絡狀態(tài)等。

(2)可靠傳遞。物聯(lián)網是一種建立在互聯(lián)網上的泛在網絡，通過現(xiàn)有的各種有線/無線通信網與互聯(lián)網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去，是實現(xiàn)異地感知的基礎，同時適應各種異構網絡及協(xié)議。

(3)智能處理。物聯(lián)網將傳感器與智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能計算技術，對海量的數(shù)據(jù)信息進行分析、加工和處理，對物體實施智能化的控制和管理。

1.2.2 校園智慧化

作為物聯(lián)網技術研究的最前沿，眾多高校及科研院所已成為物聯(lián)網應用最早、最為廣泛的地方之一［3］。在國內高校中，現(xiàn)已較為廣泛應用的物聯(lián)網技術是基于RFID的校園一卡通系統(tǒng)，在校園師生的門禁、就餐、借閱、超市購物以及考勤等日常工作和學習提供了便捷的生活方式。近年來，一些高校又提出了“智慧校園”的設想，即在現(xiàn)有的校園網基礎上，構建應用更加廣泛的校園物聯(lián)網，實現(xiàn)學習、科研、校務治理、校園文化與網絡的高度融合、無處不在。

實驗室作為高校人才培養(yǎng)的實踐基地，具有“引領創(chuàng)新、培養(yǎng)人才”的特殊職責，更需要依托智慧校園的環(huán)境，實現(xiàn)滿足學校實驗教學、科研、管理與服務的要求，提供細微、貼切、立體、能夠感受到的智慧環(huán)境、綜合服務、優(yōu)化管理、科學決策、資源共享的開放性、協(xié)同化實驗室。

1.3 智慧實驗室的概念

智慧實驗室(Smart Laboratory)作為智慧校園的重要組成部分，是以物聯(lián)網技術為核心，利用新一代信息技術為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務平臺，實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動協(xié)作以及開放實驗室設備資源、教學資源、科研資源的高度信息共享。

智慧實驗室=實驗室+物聯(lián)網+智慧化設備，它基于物聯(lián)網建立開放的、創(chuàng)新的、協(xié)作的、智能的綜合實驗室信息服務平臺，教師、學生和管理者全面感知不同的教學資源，獲得互動、共享、協(xié)作的實驗學習和科研工作環(huán)境，實現(xiàn)教育信息資源的有效采集、分析、應用和服務。智慧實驗室的最高階段就是用戶間、實驗室間、用戶與實驗室、用戶與信息資源間的通信都由實驗室智慧化地完成，無需人工干預，達到“智慧”狀態(tài)。

目前國內部分高校也在建設物聯(lián)網實驗室或智能實驗室，但其設計角度大多局限于某些領域本身，比如以人工智能為主或是以智能計算為主，但不能夠廣泛推廣應用到各類型高校實驗室中。而本文提出的智慧實驗室架構旨在結合物聯(lián)網技術的發(fā)展，分析構建智慧實驗室的宏觀環(huán)境和建設需求，提出具有普適性和完整性的智慧實驗室體系結構和應用模式。

2 基于物聯(lián)網的智慧實驗室構建

2.1 建設智慧實驗室的硬件基礎

目前我國多數(shù)高校已具備相當完善的校園網絡，無線網絡也有大規(guī)模的覆蓋，各類實驗室也都連接入網，其中少數(shù)實驗室還擁有自己的網絡平臺，說明基本具備了實現(xiàn)以物聯(lián)網為基礎的智慧實驗室的硬件條件。物聯(lián)網的建設將依附于現(xiàn)有的互聯(lián)網絡，并再進一步增設泛在感知設備，實現(xiàn)設備間互聯(lián)、設備與互聯(lián)網絡互聯(lián)、互聯(lián)網絡與物聯(lián)網絡互聯(lián)。

圖1 智慧實驗室層次架構模型

2.2 智慧實驗室層次架構模型

智慧實驗室層次架構模型采用類似于物聯(lián)網的三層結構，從上至下依次為感知層、網絡層和綜合應用層，如圖1所示。

2.2.1 感知層構建

感知層依靠大量的分布于實驗室之中的感知設備來采集并向網絡層傳送各類數(shù)據(jù)信息。這些設備主要包括RFID設備、傳感器設備以及智能M2M終端。

RFID作為物聯(lián)網概念中的核心技術，具有非常廣泛的應用領域，完全可以將其在物流領域中的成功經驗應用到智慧實驗室的構建中。集成了RFID讀寫芯片的設備可以作為感知層的主體，與多種傳感器設備相配合，織構成一張覆蓋全實驗室的感知網絡。在現(xiàn)有的感知設備中，RFID設備的優(yōu)勢明顯，發(fā)揮的作用也比較大。其中，低頻RFID設備可用來進行刷卡考勤、身份識別等應用，高頻RFID設備可通過實驗室范圍內的多標簽識別技術，應用在實驗設備監(jiān)管中。RFID設備應設計為可通過有線、無線方式接入實驗室網絡，將采集到的基礎數(shù)據(jù)上傳至服務器。

眾多的傳感器設備是感知層必不可少的組成部分，起到感知各種物理變量，如溫度、濕度、距離、壓力、電流等的核心作用，而智能化的傳感器之間又能組成靈活的傳感網絡，將數(shù)據(jù)逐層傳遞。

設計成熟的SIM(Subscriber Identity Module，身份識別)模塊也可作為感知端納入到感知層中。由于它兼具數(shù)據(jù)存儲和串行通信的功能，在智慧實驗室管理中，它更多地是發(fā)揮消息通知作用，也可用來傳輸少量穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。

攝像頭等多媒體網絡終端設備用以輔助傳感器型設備，使得實驗室信息管理可視化、立體化。

2.2.2 網絡層構建

網絡層作為物聯(lián)網的中間層，借助于互聯(lián)網、無線寬帶及電信骨干網，承載著感知數(shù)據(jù)的接入、傳輸與運營等重要工作，物聯(lián)網的網絡層可能構建于“多網融合”后的骨干網絡之上，也可能是各類專網［4］。網絡層中所涉及到的物聯(lián)網技術有物聯(lián)網節(jié)點及網關技術、物聯(lián)網通信與頻管技術、物聯(lián)網接入與組網技術。

實驗室中現(xiàn)有的校園網、WLAN以及移動2G/3G網絡和為實驗室定制搭建的無線傳感器網絡將成為網絡層的主體。各網絡實體之間協(xié)同工作，各顯其能。

2.2.3 應用層構建

感知層和網絡層最終服務于應用層。正是應用層提供的大量可靠、快捷、智能的服務應用，才顯示出實驗室的智慧性。應用層旨在構建一個多服務綜合平臺，實現(xiàn)教學管理、資源管理、環(huán)境監(jiān)控等諸多應用的智慧大融合，它們之間將不再是獨立分治的結構，而是集成于統(tǒng)一平臺之上，形成開放的實驗室系統(tǒng)。

智慧實驗室系統(tǒng)平臺可以充分地對“實驗教學”、“實驗資源”、“實驗環(huán)境”以及“實驗人員”等方面進行可視、集中、高效地管理。學生可以通過平臺進行實驗預約、查看培養(yǎng)計劃、下載學習資源和瀏覽課程信息，教師可借助平臺完成排課、過程監(jiān)測和考務管理等以往非常繁瑣的操作。實驗室管理員在平臺上可一目了然地掌握實驗室各類資源的信息，包括教學設備的狀況、設備端口的占用情況以及定期生成的設備巡檢報告，大大簡化了實驗室管理員的常規(guī)工作量。實驗室的環(huán)境錯綜復雜，涉及電氣、門窗、溫濕度等各個方面，對安全性的要求非常高，但傳統(tǒng)的以人為主體的安全管理模式對于實驗室管理員來說很難做到實時地心中有數(shù)。智慧實驗室平臺可使這些環(huán)境狀況集中可視化管理，管理員掌控環(huán)境信息就不再是難事。實驗室最終的服務對象還是人員，但是以往對人員的管理還很薄弱，這里的人員包括通常意義上的教師、學生以及SNS用戶、設備商等等，對實驗室的管理加上對人員的管理便是智慧實驗室平臺的管理目標［5-10］。

2.3 智慧實驗室運作機制

智慧實驗室的構建促進了集教學實驗、科研創(chuàng)新、競賽活動、畢業(yè)設計四位一體的綜合性平臺的產生，如圖2所示。

圖2 智慧實驗室四位一體關系圖

智慧實驗室為教學實驗提供更高效的保障。傳統(tǒng)方式下，教師和學生只是借助實驗室的空間與教學資源，教學過程與實驗室本身并無高度融合。智慧實驗室則為教學過程的前期課程安排、中期實驗資源管理與實驗過程監(jiān)測和后期課程考核與評估提供了全面的智慧應用。在教學過程中，教師感受到智慧應用為其教學提供的便利，學生也感受到智慧應用為其學習過程提供的立體化幫助。

智慧實驗室能為競賽活動、畢業(yè)設計提供更豐富的條件。以往，參加競賽活動或是準備畢業(yè)設計的學生很難找到合適的場地進行設計，而僅有的場地所能提供的資源條件也是極為有限。智慧實驗室作為開放式的資源平臺，可以為學生的競賽活動、畢業(yè)設計提供足夠的軟硬件資源上的支持，同時提高了實驗室設備的利用率，避免了資源浪費的情況。

智慧實驗室為科研創(chuàng)新提供更廣闊的平臺?？蒲袑嶒炇易鳛檠芯可闹饕囵B(yǎng)平臺，可進行科研創(chuàng)新的驗證及理論應用于實際的轉化。智慧實驗室以其資源的高度豐富與前沿性技術為科研助推。實驗室能為科研創(chuàng)新提供條件，科研創(chuàng)新的成果又能完善實驗室，形成良性的正反饋。

教學、科研、競賽及畢業(yè)設計等活動通過智慧實驗室緊密結合在一起，相互支撐、相互促進。以往，本科生與研究生所能直接接觸的機會并不多，往往本科生在專業(yè)上的一些奇思妙想能帶給研究生科研上的靈感，而研究生的豐富經驗又能為本科生提供有意義的指導。智慧實驗室為不同的研究人群提供溝通與交流的平臺，實現(xiàn)科研想法的分享，使不同人群受益［11-13］。

3 規(guī)范的實驗室管理機制

智慧實驗室基于協(xié)同、集中的思想，為實驗室管理提供了方便的平臺。智慧化的應用將室內門窗電氣安全、進出人員安全與設備狀態(tài)監(jiān)控集中到一起，杜絕了以往諸多管理系統(tǒng)分而治之的情形，實現(xiàn)了實驗室集中化管理。

同時，實驗室規(guī)范化運作，除了高效、智慧化管理，人員也需要遵守嚴密的管理制度。有許多實例表明，由于實驗室管理混亂或是管理員的疏忽而造成了實驗室的重大損失，究其原因是對人員管理的不到位。在智慧實驗室層級架構中，實驗室工作體系與管理機制和實驗室信息及安全標準與規(guī)范在“智慧外圍”起到了加強作用。這樣操作規(guī)范的實驗人員與智慧化的管理方式相配合，將智慧化優(yōu)勢發(fā)揮到極致［14-16］。

4 結語

由于物聯(lián)網技術的發(fā)展還處于起步階段，它的建設和完善還將是一個漫長的過程，但智慧實驗室是未來高校實驗室發(fā)展建設的必然趨勢。毫無疑問，物聯(lián)網給學校帶來相當大的便利和巨大的發(fā)展前景，但同時也面臨著許多挑戰(zhàn)，如技術標準不統(tǒng)一、信息安全問題、基礎設施和管理機制尚不完備等。如何有效地推動物聯(lián)網在高校實驗室建設上發(fā)揮作用，促進實踐教育教學發(fā)展，提高教學質量，所涉及的范圍也不僅僅是技術問題，還將帶來更多的創(chuàng)新應用和服務，引起校園教學環(huán)境及管理模式的變革。希望本文的探討能夠起到拋磚引玉的作用，為智慧校園及智慧實驗室的研究者提供一些參考。

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Research on the Structure of Smart Laboratory Based on the Internet of Things Technology

ZHOU Chun-yue，YAN Zi-qi
(Key Laboratory of Communication＆ Information Systems，School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

In order to make the university laboratory to adapt to the changing environment of development，to meet the openness and synergy needs of experimental teaching，management，and service，and to achieve its instructional objectives that is“l(fā)eading innovation，training talents”，the paper discusses the application patterns and contents of the Internet of things technology in laboratory management in universities，It puts forward the design ideas of the“Smart Laboratory”system that is to build a comprehensive laboratory information system.whose The design goals is to serve the teachers and the students efficiently by using of the Internet technology，network technology and embedded technology.Based on this concept，the paper puts forward a three-layer structure model of the Smart Laboratory，and discusses the design on different layers in the model.In addition，the Smart laboratory operation mechanism and management mechanism are also discussed at the end of paper based on the consideration of the sustainable development and security of it.

internet of things;Smart Laboratory;intelligence service

TP 393

A

1006－7167(2014)05－0239－05

2013－07－18

“通信工程專業(yè)綜合改革試點建設項目”與北京交通大學實驗室研究課題(13040802)資助

周春月(1973－)，女，黑龍江大慶人，博士，高級工程師，教師，主要研究方向為下一代通信網絡技術、信息安全。

Tel.:010-51688676;E-mail:zhouchunyue@hotmail.com