高校智慧實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵技術(shù)的研究

葉小英

（玉林師范學(xué)院 體育健康學(xué)院，廣西 玉林 537000）

1 高校智慧實(shí)驗(yàn)室中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 傳感器技術(shù)

使用傳感器技術(shù)，可以感知并獲得外界信號(hào)，傳熱器技術(shù)在眾多領(lǐng)域中都有所運(yùn)用。信息化技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展。如物聯(lián)網(wǎng)借助傳感器獲取信息。傳感器的外部感知系統(tǒng)可在一定環(huán)境中讀取不同信息，即感知環(huán)境、設(shè)備等變化，然后向上層傳遞信號(hào)，上層設(shè)備依據(jù)獲取的信息會(huì)決定下一步該如何做。傳感器的種類較多，運(yùn)用多個(gè)領(lǐng)域中，其中有敏感元件與轉(zhuǎn)換元件，如將大量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，一次性完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。有的領(lǐng)域會(huì)為了達(dá)到某種功能，設(shè)計(jì)一些特殊的傳感器，這樣在信息轉(zhuǎn)換的時(shí)候則先轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，我們稱這種促使信號(hào)轉(zhuǎn)換的基本器件為敏感元件。傳感器內(nèi)部根據(jù)性能變化的多種類型元件，即彈性敏感元件。轉(zhuǎn)換元件的作用就是將接收到的信號(hào)，利用內(nèi)部轉(zhuǎn)換，變成電量。作為傳感器的核心元件，轉(zhuǎn)換元件是通過物理與化學(xué)特點(diǎn)設(shè)計(jì)完成的。隨著科技的進(jìn)步，更多物理與化學(xué)性質(zhì)被挖掘并運(yùn)用到傳感器的設(shè)計(jì)中，因此傳感器功能愈加強(qiáng)大，其在多個(gè)領(lǐng)域中的運(yùn)用促進(jìn)了社會(huì)的快速發(fā)展。

高校智慧實(shí)驗(yàn)室中的感知設(shè)備——傳感器，即運(yùn)用多種形式，獲取實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境的各種參數(shù)，如安防系統(tǒng)中通過攝像頭拍攝實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境影像、紅外感應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員的進(jìn)出進(jìn)行管理、煙霧傳感器則判斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)、溫濕度傳感器則對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫度與濕度進(jìn)行檢測(cè)，以此監(jiān)測(cè)其大型試驗(yàn)設(shè)備的使用狀態(tài)，VOC 傳感器可檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)易揮發(fā)有機(jī)物的濃度，以此監(jiān)測(cè)是否發(fā)生氣體泄漏問題。實(shí)驗(yàn)室傳感器可以感知實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備發(fā)出控制命令。

1.2 RFID 技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識(shí)別）技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展是人類科學(xué)進(jìn)步的重要體現(xiàn)，為人們的生活帶來很大便利，提升了倉(cāng)儲(chǔ)管理效率。將其運(yùn)用到高校智慧實(shí)驗(yàn)室中有以下優(yōu)勢(shì)：體積小、靈活多變、快速掃描、抗污染、數(shù)據(jù)記憶容量大、安全性高等。RFID 是一種基礎(chǔ)通信方式，通過無線信號(hào)，識(shí)別一些特定目標(biāo)，然后依據(jù)識(shí)別內(nèi)容，便捷讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，無須機(jī)械接觸，通過無線電波就可達(dá)成數(shù)據(jù)的傳達(dá)。RFID技術(shù)發(fā)展較早，當(dāng)下已處于無線識(shí)別技術(shù)的先列，利用掃描了解設(shè)備上標(biāo)簽中的內(nèi)容，然后傳輸數(shù)據(jù)［1］。如此，實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備上粘貼的微芯片標(biāo)簽很重要，每個(gè)標(biāo)簽都是一個(gè)獨(dú)立的、特定的ID 碼。掃描標(biāo)簽通過無線傳輸交換數(shù)據(jù)，助實(shí)驗(yàn)室使用者讀取商品的基礎(chǔ)信息。RFID 技術(shù)使用的無線識(shí)別系統(tǒng)，主要包括天線、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、閱讀機(jī)與電子標(biāo)簽。RFID 標(biāo)簽包括無源與有源兩種，前者是以電流感應(yīng)的形式獲取信息后發(fā)送；后者則直接發(fā)送信號(hào)。

1.3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源于20 世紀(jì)60 年代，最開始該技術(shù)運(yùn)用在軍事網(wǎng)絡(luò)中?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了ARPANET 和NSFNET 網(wǎng)絡(luò)，三十年后商業(yè)領(lǐng)域才廣泛使用了NSFNET 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)信息的傳輸。隨著發(fā)展速度的加快，互聯(lián)網(wǎng)又從商業(yè)領(lǐng)域向其他領(lǐng)域發(fā)展，使用者越來越多，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被賦予新的內(nèi)容。如今互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到人們生活、工作的方方面面，在無形中推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，為人類帶來積極影響。隨著科技的進(jìn)步，無線接入技術(shù)有很大改變，促使互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)向更規(guī)范、合理的方向發(fā)展。終端設(shè)備通過局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線自組網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等的使用，用戶端也發(fā)生了很大變化，如從計(jì)算機(jī)延伸到智能家電、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、智能監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域，使用終端的擴(kuò)大，促使互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍更廣，高校智慧實(shí)驗(yàn)室就是借助互聯(lián)網(wǎng)中的監(jiān)控終端，完成對(duì)數(shù)據(jù)的查詢與獲取。

1.4 嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)指計(jì)算機(jī)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)特定的功能，一般嵌入式系統(tǒng)由硬件與軟件組成。硬件部分包括外部?jī)?chǔ)存、微控制器、I／O 等；軟件部分作為整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，也叫固件，將軟件下載到FLASH、ROM、EPROM 中，整個(gè)系統(tǒng)軟件固定后，下載的嵌入式軟件就無須更改。嵌入式軟件在使用的時(shí)候會(huì)不斷重復(fù)相同功能的工作內(nèi)容。其可被運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室中多個(gè)領(lǐng)域，小到實(shí)驗(yàn)工具，大到實(shí)驗(yàn)設(shè)備，覆蓋智慧實(shí)驗(yàn)室的方方面面。

2 關(guān)鍵技術(shù)在高校智慧實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)用

2.1 在智慧實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜智能節(jié)能系統(tǒng)中的運(yùn)用

柜式排風(fēng)罩即通風(fēng)柜，與密閉罩相似，通過管道與風(fēng)機(jī)連接，以壓差原理，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的有害氣體排出。智慧實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)智能節(jié)能系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)。通風(fēng)柜與排風(fēng)機(jī)、排風(fēng)管道相連，若實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生有毒氣體，傳感器感應(yīng)出后就將吸收到通風(fēng)柜內(nèi)，受壓差的影響，將有害氣體經(jīng)過處理，排出實(shí)驗(yàn)室［2］。受風(fēng)機(jī)的作用，通風(fēng)柜內(nèi)的壓力大于通風(fēng)管內(nèi)壓力，然后讓新風(fēng)再通過罩面排到通風(fēng)柜中，進(jìn)而排出有毒氣體，吸入新鮮氣體，保障實(shí)驗(yàn)室中人員的安全。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)在智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的運(yùn)用

2.2.1 PC 客戶端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧實(shí)驗(yàn)室中PC 客戶端的作用，不只可對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本監(jiān)控，還有MSDS 系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室智能考核系統(tǒng)。整個(gè)PC 客戶端功能包括：數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、歷史查詢、故障保障與權(quán)限管理等。首先，PC 客戶端軟件功能框架，PC 客戶端包含很多功能，軟件設(shè)計(jì)中合理構(gòu)建框架，便捷的界面為用戶提供更好的體驗(yàn)?；谡麄€(gè)系統(tǒng)中涉及的內(nèi)容較多，因此可將各個(gè)部分分離，通過點(diǎn)擊功能鍵，實(shí)現(xiàn)功能的切換，進(jìn)一步完成軟件功能框架的搭建。其次，權(quán)限管理。智慧實(shí)驗(yàn)室中的管理系統(tǒng)，要先設(shè)定管理權(quán)限，不是所有人都可隨意訪問，只有如此才可最大限度保障實(shí)驗(yàn)室的安全。因此智慧實(shí)驗(yàn)室管理中要增加管理權(quán)限，只有授權(quán)的管理人員才可利用賬號(hào)與密碼進(jìn)行訪問。參與實(shí)驗(yàn)室管理的人員，在得到信息技術(shù)授權(quán)前，需要先進(jìn)行知識(shí)的考核，通過后才能獲得權(quán)限。以此才可保證實(shí)驗(yàn)室管理人員都能有豐富的實(shí)驗(yàn)室管理經(jīng)驗(yàn)，可在出現(xiàn)意外事故的時(shí)候采取正確方法處理。為了方便管理，可將智慧實(shí)驗(yàn)室中的管理用戶，分為超級(jí)管理員與普通管理員。只有超級(jí)管理員具有管理的操作權(quán)限，而普通管理員在登錄系統(tǒng)后不能進(jìn)行更高級(jí)別權(quán)限的操作。最后，界面與功能設(shè)計(jì)。（1）超級(jí)管理員與管理員通過注冊(cè)賬號(hào)密碼登錄，進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的首界面，可利用連接按鈕的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接，如有想要查看的實(shí)驗(yàn)室，可直接點(diǎn)開實(shí)驗(yàn)室的基本信息，進(jìn)而查看實(shí)驗(yàn)室中參數(shù)與對(duì)應(yīng)變化［3］。（2）歷史數(shù)據(jù)的查詢。智慧實(shí)驗(yàn)室中PC 客戶端系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)很重要，實(shí)驗(yàn)室中有很多狀態(tài)變量、基本環(huán)境數(shù)據(jù)都在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后按照順序儲(chǔ)存。管理人員可通過查看歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中的安全隱患，并及時(shí)整改。（3）故障報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)問題后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)采取措施，及時(shí)通知管理人員哪里出現(xiàn)故障，然后管理員會(huì)依情況進(jìn)行故障報(bào)警處理。

2.2.2 移動(dòng)端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

首先，獲取數(shù)據(jù)。移動(dòng)端監(jiān)控軟件可對(duì)智慧實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全程監(jiān)控，隨時(shí)獲取各種傳感器的數(shù)據(jù)，完成交互，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器端監(jiān)控軟件中的數(shù)據(jù)中心可實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行狀態(tài)，智能感知設(shè)備將環(huán)境參數(shù)的信息采集并傳輸給數(shù)據(jù)中心。然后將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過移動(dòng)端訪問數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。

其次，構(gòu)建移動(dòng)端監(jiān)控軟件框架。利用互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的安卓系統(tǒng)，使用當(dāng)下比較流行的MVC 框架模式，即以模型－視圖－控制器的形式處理數(shù)據(jù)、顯示界面、做好通信工作。通過這種形式實(shí)現(xiàn)視圖和業(yè)務(wù)邏輯的分離，所以MVC 框架具有擴(kuò)展性強(qiáng)、模塊職責(zé)劃分明確的優(yōu)勢(shì)［4］。智慧實(shí)驗(yàn)室中的移動(dòng)段監(jiān)控界面以XML 語言描述，就是MVC 框架中的視圖層。同時(shí)模型層則包括軟件的網(wǎng)絡(luò)通信、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的操作與遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)。管理人員通過視圖層，向移動(dòng)監(jiān)控軟件發(fā)送請(qǐng)求，系統(tǒng)通過對(duì)視圖層的“監(jiān)聽”，向模型層發(fā)送請(qǐng)求事件，最后將處理后的結(jié)果返回到處理層，完成移動(dòng)端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。

最后，移動(dòng)端監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化對(duì)，即表示實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)故障，產(chǎn)生報(bào)警信息，同時(shí)通過對(duì)服務(wù)器中歷史數(shù)據(jù)的獲取，快速制定解決對(duì)策。實(shí)驗(yàn)室管理人員在獲得對(duì)應(yīng)用戶名與密碼后才可登錄訪問管理。為了給管理者帶來更好體驗(yàn)，移動(dòng)端軟件監(jiān)控軟件的首頁中包含通風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、設(shè)備控制、模式選擇與系統(tǒng)狀態(tài)等界面。以環(huán)境參數(shù)為例，點(diǎn)擊此就可看到實(shí)驗(yàn)室中的基本信息。

3 結(jié)論

綜上，高校實(shí)驗(yàn)室作為為高校開展教學(xué)、科研活動(dòng)，培養(yǎng)高端人才的重要場(chǎng)所，其安全隱患更多，因此在信息更新和管理方面需要投入更多精力。文章介紹智慧實(shí)驗(yàn)室中的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用，以期提升實(shí)驗(yàn)室的管理質(zhì)量。