基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理研究

張 凱，胡家瑛，宋春曉

（國(guó)家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)職業(yè)教育重視程度的提高，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方面的支持和投入明顯增加，各院校實(shí)訓(xùn)室規(guī)模和數(shù)量進(jìn)一步擴(kuò)大。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)室對(duì)數(shù)據(jù)的使用及管理方式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是數(shù)據(jù)采集困難大，諸如環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、學(xué)習(xí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安防狀態(tài)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)來(lái)源于人工統(tǒng)計(jì)及紙質(zhì)材料，耗時(shí)耗力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智慧化的有效收集；二是數(shù)據(jù)利用率及共享程度低，不能充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值；三是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歸檔困難大，傳統(tǒng)的紙質(zhì)材料存儲(chǔ)歸檔占用空間大，且查閱不方便、易丟失。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，依托有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，集成傳感器技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室相關(guān)信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析和歸檔全流程，以解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室數(shù)據(jù)使用及管理中出現(xiàn)的問(wèn)題，充分挖掘?qū)嵱?xùn)室數(shù)據(jù)價(jià)值，使實(shí)訓(xùn)室管理數(shù)字化、智慧化。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室架構(gòu)及功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層構(gòu)成［1］，其各層的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 感知層

根據(jù)智慧實(shí)訓(xùn)室功能定位，感知層由環(huán)境狀態(tài)感知模塊、設(shè)備狀態(tài)感知模塊、安防狀態(tài)感知模塊、多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)等組成。其中，環(huán)境狀態(tài)感知模塊安裝溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等；設(shè)備狀態(tài)感知模塊安裝電壓電流傳感器、溫度傳感器等，并且每臺(tái)實(shí)訓(xùn)設(shè)備儀器安裝RFID標(biāo)簽，說(shuō)明設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備參數(shù)和設(shè)備維護(hù)記錄等；安防狀態(tài)感知模塊集成視頻監(jiān)控、門禁、考勤、水浸監(jiān)測(cè)等功能；多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集及有線和無(wú)線傳輸。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層可接入互聯(lián)網(wǎng)及校園局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，保證敏感數(shù)據(jù)不外泄。接入到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)主要是環(huán)境狀態(tài)感知數(shù)據(jù)，接入到校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)是設(shè)備狀態(tài)感知數(shù)據(jù)及安防狀態(tài)感知數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能：一是將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳遞給平臺(tái)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；二是將應(yīng)用層發(fā)出的控制命令傳遞給智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層設(shè)備的控制。

1.3 平臺(tái)層

平臺(tái)層是智慧實(shí)訓(xùn)室全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)，其功能主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：一是對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)脑瓟?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的格式化；三是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸檔，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，提供輔助決策，同時(shí)對(duì)生成的報(bào)告進(jìn)行歸檔；四是存儲(chǔ)教學(xué)軟件、課件、試題，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)資源的整合和共享。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括實(shí)訓(xùn)室日常管理、實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理、實(shí)訓(xùn)室安全管理三大功能。實(shí)訓(xùn)室日常管理基于對(duì)溫濕度、光照等數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)加濕器開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、照明開關(guān)、窗簾開關(guān)的控制；實(shí)訓(xùn)室設(shè)備管理基于對(duì)設(shè)備工作中電壓電流數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)等的分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的出入管理、資產(chǎn)盤點(diǎn)、維修維護(hù)管理；實(shí)訓(xùn)室安全管理基于對(duì)視頻監(jiān)控、門禁、考勤、煙感等數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)門禁開關(guān)、安防報(bào)警、學(xué)員考勤等功能。

2 智慧實(shí)訓(xùn)室全數(shù)據(jù)處理流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

在智慧實(shí)訓(xùn)室的架構(gòu)中，感知層部署多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集功能。多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊、時(shí)鐘模塊、外部存儲(chǔ)模塊和通信模塊組成［2］，實(shí)現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)的集中采集，其數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的放大、濾波功能；信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）；時(shí)鐘模塊提供時(shí)間數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行與時(shí)間有關(guān)的控制；外部存儲(chǔ)模塊的主要功能是提供采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間；通信模塊提供RS485接口，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)層。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖3所示。

2.2.1 門禁及實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

智慧實(shí)訓(xùn)室的門禁及實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸使用RFID技術(shù)，RFID標(biāo)簽上存儲(chǔ)門禁身份信息、實(shí)訓(xùn)設(shè)備信息［3］，使用RFID讀寫器可通過(guò)無(wú)線實(shí)現(xiàn)與RFID標(biāo)簽的非接觸式信息交互。門禁及實(shí)訓(xùn)設(shè)備信息傳輸使用RFID技術(shù)主要有以下幾個(gè)原因：

1）速度快。RFID讀寫較一般的二維碼或條碼等方式速度更快，而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)識(shí)別，還可以在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的識(shí)別，適合對(duì)大批量學(xué)員同時(shí)進(jìn)行身份鑒別。

圖3 智慧實(shí)訓(xùn)室數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2）使用方便。因?yàn)镽FID標(biāo)簽的體積較小，可以嵌入產(chǎn)品內(nèi)部或貼在產(chǎn)品表面，因此能滿足實(shí)訓(xùn)室內(nèi)幾乎所有設(shè)備的使用。

3）安全耐用。RFID標(biāo)簽內(nèi)使用專用芯片，其序列號(hào)是獨(dú)一無(wú)二的，很難復(fù)制，大大提高了實(shí)訓(xùn)室的安全性；其出現(xiàn)硬件問(wèn)題的概率極小，不易被污損。

RFID標(biāo)簽的缺點(diǎn)是成本較高，但在2000年后成本下降，RFID提供無(wú)源RFID、有源RFID與半有源RFID［4］。在使用中可根據(jù)需求靈活選用，以便控制成本。

2.2.2 傳感器及RFID讀寫數(shù)據(jù)傳輸

智慧實(shí)訓(xùn)室的傳感器及RFID讀寫數(shù)據(jù)傳輸使用ZigBee傳輸協(xié)議，實(shí)訓(xùn)室傳感器使用該協(xié)議具有以下特點(diǎn)［5］：

1）低功耗。ZigBee有工作模式和非工作模式，在工作模式中，由于傳輸數(shù)據(jù)量不大，可以在很短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸工作；在非工作模式中，ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠。

2）低成本。通過(guò)對(duì)ZigBee協(xié)議的簡(jiǎn)化，降低了對(duì)硬件的要求，且無(wú)協(xié)議專利費(fèi)，成本大幅下降。

3）短時(shí)延。ZigBee響應(yīng)速度較快，節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)僅需30 ms，由休眠狀態(tài)切換至工作狀態(tài)一般僅需要15 ms。

4）大容量。ZigBee可使用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)分為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是3種節(jié)點(diǎn)的最上層，用來(lái)管理主節(jié)點(diǎn)，最多可以形成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。主節(jié)點(diǎn)用來(lái)管理子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。ZigBee可完全滿足實(shí)訓(xùn)室設(shè)備數(shù)量需求。

2.2.3 視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸

視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬及實(shí)時(shí)性要求較高，傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)性高。TCP/IP協(xié)議在視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

1）時(shí)效性強(qiáng)。TCP/IP傳輸協(xié)議以較快的速度把實(shí)時(shí)有效信息傳送給接收方，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)效價(jià)值。

2）準(zhǔn)確性高。TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，在處理好繁復(fù)的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以保障傳輸數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

3）實(shí)時(shí)性好。在TCP/IP協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸流程分為建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)3個(gè)步驟，其間的無(wú)縫銜接使數(shù)據(jù)傳輸更具有實(shí)時(shí)性。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于實(shí)訓(xùn)室數(shù)量龐大、數(shù)據(jù)連續(xù)采集、增加或更換傳感設(shè)備等因素造成數(shù)據(jù)規(guī)模增長(zhǎng)迅速、數(shù)據(jù)種類多變。依托智慧實(shí)訓(xùn)室的全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)的云存儲(chǔ)技術(shù)將異構(gòu)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為格式化數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，云存儲(chǔ)具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

1）對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理能實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化，無(wú)需管理員過(guò)多干預(yù)；不同的異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)格式化處理后被整合存放于單一存儲(chǔ)空間，便于用戶訪問(wèn)。

2）云存儲(chǔ)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡、故障冗余功能，在一定程度上能夠提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，節(jié)約存儲(chǔ)空間，提高空間利用率。

3）云存儲(chǔ)可以根據(jù)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)及變化實(shí)現(xiàn)彈性擴(kuò)展，可有效節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本及資源。

此外，利用云存儲(chǔ)技術(shù)還可以對(duì)教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行建設(shè)，主要包含著教學(xué)軟件、課件、試題等，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的整合共享。

2.4 數(shù)據(jù)處理

由于傳感器存儲(chǔ)的原數(shù)據(jù)可能存在不一致、不準(zhǔn)確、不完整、含噪聲和數(shù)據(jù)重復(fù)等情況，有的數(shù)據(jù)分析價(jià)值不大，因此在數(shù)據(jù)分析前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理是數(shù)據(jù)分析的重要步驟，數(shù)據(jù)處理包括以下幾個(gè)方式［6］：

1）數(shù)據(jù)清洗。數(shù)據(jù)清洗是對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)，糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，刪除重復(fù)信息，填充缺失值以及數(shù)據(jù)的去冗余等，保證數(shù)據(jù)有效可用。

2）數(shù)據(jù)規(guī)約。數(shù)據(jù)規(guī)約是指對(duì)原數(shù)據(jù)的質(zhì)量精簡(jiǎn)。質(zhì)量精簡(jiǎn)有兩方面含義：一是盡量保留數(shù)據(jù)的原貌特征，保證規(guī)約后數(shù)據(jù)質(zhì)量最大程度上不變；二是對(duì)數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)，更有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。例如，不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)特征基本一樣，可以只保留一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3）數(shù)據(jù)變換。在對(duì)實(shí)訓(xùn)室數(shù)據(jù)分析時(shí)，要求數(shù)據(jù)必須滿足一定條件，數(shù)據(jù)變換即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。常見的數(shù)據(jù)變換包括特征二值化、特征歸一化、連續(xù)特征變化、定性特征啞編碼等。

2.5 數(shù)據(jù)分析和歸檔

基于實(shí)訓(xùn)室日常管理、設(shè)備管理、安全管理需求，開展相關(guān)數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)實(shí)訓(xùn)室溫度、濕度、照明數(shù)據(jù)分析，設(shè)定合適的值實(shí)現(xiàn)空調(diào)、加濕器、窗簾自動(dòng)開關(guān)，在提供舒適實(shí)訓(xùn)環(huán)境的同時(shí)可以節(jié)約能耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，保障用電安全；通過(guò)對(duì)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，可以及時(shí)監(jiān)控設(shè)備異常，排除故障，實(shí)現(xiàn)設(shè)備出入管理及資產(chǎn)盤點(diǎn)管理；通過(guò)對(duì)視頻監(jiān)控、門禁、考勤、煙感報(bào)警數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員身份鑒定、考勤管理、火災(zāi)監(jiān)控，保障實(shí)訓(xùn)室安全。通過(guò)以上數(shù)據(jù)的分析和整理，自動(dòng)生成實(shí)訓(xùn)室日?qǐng)?bào)、周報(bào)及年度報(bào)告并歸檔，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室管理和維護(hù)可追溯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)訓(xùn)室業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理，研究了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析和歸檔等關(guān)鍵處理步驟。以實(shí)訓(xùn)室全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果為參考，可以動(dòng)態(tài)調(diào)配人工資源，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的智能化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備維護(hù)的及時(shí)性，保障實(shí)訓(xùn)室安全。