基于信息深度融合的智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

朱俊杰， 李 勇， 鄭志安， 寧重陽， 何明芳， 黃海燕

（中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，長沙410004）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是高校人才培養(yǎng)的重要支撐，尤其是面向理工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何提高實(shí)驗(yàn)室的利用效率與管理水平以適應(yīng)當(dāng)代高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的改革需要，已成為各高校急需解決的重要課題。人工管理是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理中的核心部分，實(shí)驗(yàn)室的日常運(yùn)行需要相關(guān)管理人員耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行監(jiān)管。對(duì)于管理人員來說存在諸多不便，對(duì)實(shí)驗(yàn)室信息的獲取也缺少實(shí)時(shí)性。隨著高等教育的不斷普及，學(xué)生增多使得學(xué)校實(shí)驗(yàn)室面臨管理難度更大、管理效率不高的難題［1-3］。對(duì)于學(xué)生來說，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室固定時(shí)間固定地點(diǎn)的使用方式也造成了教學(xué)資源的閑置，學(xué)生的需求沒有得到滿足。而現(xiàn)有提出的一些信息化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)基本上都采用有線型的數(shù)據(jù)傳輸方式，線路安裝十分復(fù)雜，而且容易損壞、安全性不高［4-6］。這類管理系統(tǒng)還存在著資源消耗大、經(jīng)濟(jì)成本高、不易推廣等弊端，針對(duì)以上問題本文設(shè)計(jì)了一套基于信息深度融合的智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，高度實(shí)現(xiàn)了對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的開放性、智能化管理。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)總體拓?fù)鋭澐譃闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和手機(jī)APP等4個(gè)部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，通過各類傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部數(shù)據(jù)，再由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和WiFi模塊無線傳輸至云平臺(tái)與各種數(shù)據(jù)庫信息深度融合，整合出精確、實(shí)用的反饋信息，下傳至底層節(jié)點(diǎn)，如此循環(huán)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定、可靠的智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。

圖1 智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee將實(shí)驗(yàn)室中實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)回傳至網(wǎng)關(guān)，并完成對(duì)各類設(shè)備的控制［7-10］。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理后通過WiFi無線傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器層利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)分析主控平臺(tái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示在手機(jī)APP界面上。管理人員、任課教師或?qū)W生在手機(jī)APP上進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)庫會(huì)存儲(chǔ)相關(guān)行為數(shù)據(jù)。服務(wù)器通過預(yù)先設(shè)定，分析數(shù)據(jù)庫的變化，隨后主控平臺(tái)會(huì)收到服務(wù)器發(fā)送的相應(yīng)命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的自主預(yù)約、故障上報(bào)等APP功能［11-16］。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示，主要包括實(shí)驗(yàn)室安防與監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)層大數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)、手機(jī)APP等三大模塊。學(xué)生和管理人員可以通過手機(jī)APP產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息和訪問數(shù)據(jù)信息；學(xué)生可以在APP上隨時(shí)隨地預(yù)約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室無需值班人員，學(xué)生預(yù)約成功后刷卡即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)室電源為即開即用，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后在對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上刷卡即可打開實(shí)驗(yàn)電源開始實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器故障問題也可以通過手機(jī)APP上報(bào)，管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室各類重要數(shù)據(jù)指標(biāo)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，警報(bào)會(huì)拉響，提醒管理員去處理；教師可以通過手機(jī)APP自主開放實(shí)驗(yàn)室和查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄等。

圖2 智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要功能

2 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3為系統(tǒng)屬性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖4為系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中協(xié)調(diào)器以網(wǎng)狀方式連接著大量路由器和終端，該技術(shù)優(yōu)勢在于被連接的路由器也可以連接其他路由器和終端節(jié)點(diǎn)，這樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)便于之后的系統(tǒng)擴(kuò)展與故障診斷，并且當(dāng)系統(tǒng)需要增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。在產(chǎn)生故障時(shí)，也方便快速檢修。無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)等三大部分組成。

圖3 系統(tǒng)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4 系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 協(xié)調(diào)器和路由器

智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)核心協(xié)調(diào)器為ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集和電源控制部分，通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集與其連接的傳感器數(shù)據(jù)，并由ZigBee路由節(jié)點(diǎn)匯集到協(xié)調(diào)器。該協(xié)調(diào)器主要是充當(dāng)管理者的作用，主要功能是創(chuàng)建一個(gè)可靠網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息。路由器在搭建的系統(tǒng)中的作用是關(guān)聯(lián)其他節(jié)點(diǎn)，起到轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

2.3 終端節(jié)點(diǎn)

終端的功能是通過各端口與外設(shè)相連接。終端將實(shí)時(shí)獲取到的環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器發(fā)送到協(xié)調(diào)器。另外，終端在必要時(shí)會(huì)將控制命令實(shí)時(shí)發(fā)送給其他終端節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，終端節(jié)點(diǎn)共分為門禁節(jié)點(diǎn)、設(shè)備開關(guān)類節(jié)點(diǎn)（燈節(jié)點(diǎn)及空調(diào)節(jié)點(diǎn)等）、傳感器節(jié)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)節(jié)點(diǎn)和信息顯示及警報(bào)節(jié)點(diǎn)類，各類節(jié)點(diǎn)均由CC2530與外設(shè)組成，且放置在實(shí)驗(yàn)室的不同位置。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片模塊搭配溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、紅外熱釋傳感器等模塊組成。其中溫濕度傳感器模塊用于監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度，溫度參數(shù)是環(huán)境監(jiān)控中重點(diǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，不僅反映了環(huán)境的變化，而且還是可燃?xì)怏w傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯闹匾獏⒖紨?shù)據(jù)；氣體傳感器模塊用于檢測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有毒有害氣體及煙霧情況，當(dāng)檢測到的濃度大于設(shè)定的濃度時(shí)，會(huì)啟動(dòng)警報(bào)，并將警報(bào)信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳至網(wǎng)關(guān)；紅外熱釋傳感器模塊的主要作用是監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有人。此節(jié)點(diǎn)放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)天花板處。

（2）門禁節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，門禁節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)由CC2530芯片模塊、RFID模塊和開關(guān)模塊等組成。RFID模塊用來實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，學(xué)生將持有的射頻卡向RFID模塊請(qǐng)求驗(yàn)證，RFID將收到的學(xué)號(hào)發(fā)回服務(wù)器，與數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。數(shù)據(jù)在服務(wù)器端驗(yàn)證通過后，系統(tǒng)會(huì)為該學(xué)生解除門禁。

（3）開關(guān)類節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，開關(guān)類節(jié)點(diǎn)分為燈節(jié)點(diǎn)、空調(diào)節(jié)點(diǎn)、儀器電源節(jié)點(diǎn)等。其作用是在接收到其他節(jié)點(diǎn)的控制指令后，控制設(shè)備的通電狀態(tài)。比如當(dāng)門禁打開時(shí)，門禁節(jié)點(diǎn)會(huì)向開關(guān)類節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制類指令，打開實(shí)驗(yàn)室燈光以及空調(diào)的電源。當(dāng)紅外熱釋傳感器模塊設(shè)定時(shí)間監(jiān)測到實(shí)驗(yàn)室無人時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)向開關(guān)類節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，關(guān)閉部分設(shè)備的電源及燈光的開關(guān)，減少設(shè)備的損耗和電能的消耗。

（4）實(shí)驗(yàn)臺(tái)節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)節(jié)點(diǎn)由CC2530模塊、RFID模塊、繼電器、藍(lán)牙模塊、警報(bào)模塊構(gòu)成，在系統(tǒng)中起到記錄學(xué)生信息、設(shè)備安防的作用。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)刷卡時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)通電，并對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行記錄。當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器超出規(guī)定范圍時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

系統(tǒng)采用RSSI測距算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備安防功能。實(shí)驗(yàn)臺(tái)節(jié)點(diǎn)的主藍(lán)牙芯片與安裝在實(shí)驗(yàn)儀器上的從藍(lán)牙芯片形成電子圍欄，以主藍(lán)牙芯片收集到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI（Received Signal Strength Indication）值計(jì)算距離。計(jì)算公式（衰減模型）為

式中：P（d）為接受功率；P（d0）與n為常數(shù)；d/d0為收發(fā)單元之間的距離，該類節(jié)點(diǎn)安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。

（5）信息顯示及警報(bào)節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，信息顯示由CC2530芯片模塊、LCD、蜂鳴器等構(gòu)成，用于顯示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)時(shí)情況，如當(dāng)前人數(shù)、開放時(shí)間、室內(nèi)溫度、氣體情況等。需要顯示的數(shù)據(jù)來自服務(wù)器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)，比如傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的各類數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送至LCD節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行顯示。該節(jié)點(diǎn)位于實(shí)驗(yàn)室一側(cè)墻壁處。顯示節(jié)點(diǎn)空間預(yù)覽圖見圖5。

圖5 LCD顯示節(jié)點(diǎn)空間預(yù)覽圖

2.4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)中樞，由STM32微處理器、WiFi功能芯片及外設(shè)電路等組成，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器層和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和命令的交互。本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要用作實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器層的網(wǎng)絡(luò)通信功能以及與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的串口通信功能。為方便起見，本系統(tǒng)直接通過開發(fā)板上的WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器層的通信功能。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，網(wǎng)關(guān)模塊放置在位于實(shí)驗(yàn)室空間前側(cè)的專設(shè)箱中。系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行

3.1 軟件整體構(gòu)架

本系統(tǒng)采用Cents OS7.4為操作系統(tǒng)，CPU單核主頻2 GHz、內(nèi)存2 GB，環(huán)境版本為python2.7、MySQL5.7。

3.2 基于深度學(xué)習(xí)的智能推薦算法

本系統(tǒng)提出的智能推薦系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生在使用APP時(shí)的操作行為與預(yù)約記錄等信息。根據(jù)以上操作信息與后臺(tái)記錄的信息，基于深度學(xué)習(xí)建立推薦模型。該模型針對(duì)不同學(xué)生的情況會(huì)預(yù)測未學(xué)習(xí)資源以及對(duì)該學(xué)生的重點(diǎn)關(guān)注度給出評(píng)分，根據(jù)學(xué)生參考評(píng)分，重點(diǎn)推薦學(xué)習(xí)資源與求職信息。

傳統(tǒng)的協(xié)同過濾算法主要分為三種：基于用戶、基于項(xiàng)目、基于模型。本系統(tǒng)采用了結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論的基于模型的協(xié)同過濾算法，模型采用受限玻爾茲曼機(jī)（RBM）?；赗BM的協(xié)同過濾模型如如圖7所示。

圖7 基于RBM的協(xié)同過濾模型

該推薦模型將收集到的原始學(xué)生數(shù)據(jù)從可見層映射到隱藏層中，這一過程為編碼過程，由條件概率公式表示為：

而解碼過程為從編碼后的隱藏層中將數(shù)據(jù)再次映射回可見層中，具體實(shí)現(xiàn)可表示為

在解碼過程中，會(huì)得到學(xué)生已閱讀信息的評(píng)分與未學(xué)習(xí)資源的評(píng)分。系統(tǒng)可以依據(jù)未學(xué)習(xí)資源的評(píng)分對(duì)資源進(jìn)行重新排序，隨后推薦給學(xué)生。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

如表1所示，根據(jù)用戶在手機(jī)端操作請(qǐng)求不同的動(dòng)作，服務(wù)器會(huì)從大數(shù)據(jù)庫中提取不同的數(shù)據(jù)。老師可以登錄手機(jī)APP隨時(shí)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考勤情況，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析形成各類圖表數(shù)據(jù)，比如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重要指標(biāo)的變化圖、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成度等供用戶方便查看。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

如圖8所示，系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)庫的開發(fā)基于MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫。相關(guān)信息以表的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，比如：學(xué)生相關(guān)身份信息、實(shí)驗(yàn)室管理人員與相關(guān)教師的登入安全信息、網(wǎng)絡(luò)新聞信息鏈接以及實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息等。為實(shí)現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)借助MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建了含有4張數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)庫。

圖8 部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果

系統(tǒng)的服務(wù)后臺(tái)使用python和sql編程，利用socket通信方式與硬件建立長連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)爬蟲基于開源Scrapy庫，使用python編寫，使用學(xué)生用戶的年級(jí)、專業(yè)等信息作為關(guān)鍵字，設(shè)置24 h間隔爬取專業(yè)信息門戶網(wǎng)站中與用戶詳細(xì)相關(guān)的新聞信息、職位信息等，有針對(duì)性為不同年級(jí)不同專業(yè)學(xué)生推薦相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一套基于信息深度融合的智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的開放性、智能化管理。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息與數(shù)據(jù)庫信息的深度融合，在保持實(shí)驗(yàn)室高度開放的前提下，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室智能安防、智能門禁、智能授權(quán)、智能推薦等智能化管理，大大提高了實(shí)驗(yàn)室管理水平。同時(shí)基于ZigBee和阿里云新技術(shù)的融合增設(shè)三重認(rèn)證和電子圍欄等儀器安防功能保證了實(shí)驗(yàn)室開放下的安全性?；谏疃葘W(xué)習(xí)的智能推薦算法，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)內(nèi)容的針對(duì)性。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)為依托的智慧型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)相較傳統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)成本大大降低，具有較好的應(yīng)用前景。