基于物联网技术的智慧实验室系统的设计与实现

陈佳音

摘 要物联网是互联网与传感技术、人工智能技术、大数据分析技术相互结合的产物，是网络发展的必然趋势，人类社会的方方面面都将融入到这个智能化的全球网络中，我国只有不断加大对相关技术和设施的投入和研究，才能在这一波新技术浪潮中抢占先机。基于物联网技术的智慧实验室系统，正是在这种背景下，通过分析国内现有实验室体系和相关研究成果的局限性和不足，提出了相应的设计思路和解决方案，并完成了实现和部署。实践证明设计方案是可行的和有效的。

【关键词】物联网 智慧实验室

1 研究背景

2016年3月-2017年5月，谷歌公司的智能设备AlphaGo先后击败韩国顶级围棋手李世和人类世界排名第一的中国选手柯杰，该案例明确的告诉世人，人工智能的新时代来临了！虽然AI（人工智能）在创造性上仍然远逊于人类，但在处理海量信息和数据挖掘的方面却有着人类无法匹敌的优势。

物联网本身具有强大的感知、集成和处理数据的能力，其又与智能化管理、大数据分析技术、分布式计算等技术逐渐溶为一体，形成新一代无所不在万物相连的智能化网络。未来生活的方方面面都应该以此为依托，没有物联网，我们将寸步难行。

高校实验室肩负着科技创新和人才培养的双重使命，设备多样，人员复杂，环境要求高，信息流量大，安防工作繁重，传统的管理方式早已无法适应实验室发展需要。物联网技术可以依托信息化环境，利用感知、协同、控制等领域的前沿技术，优化实验室资源配置，为管理、教学、安防、仓储提供细微、立体、全面的智能服务。在这种背景下，本文提出了建立以物联网技术为基础的智慧实验室系统的构想，采用多种传感、网络、安全、智能控制技术，系统化的对人员、设备、安防、环境实现管理和监控。

2 研究状况

近几年，国内部分学者对智慧实验室系统先后提出了前景分析和构想，如2012年，周燕华等提出《物联网让实验室变“智慧”》，2014-2015年，《实验室研究与探索》期刊上发表了《现代智慧实验室建设》（林燕奎等）、《智慧实验室架构研究》（周春月等）等文章对智慧实验室建设提出了讨论和构想。然而，目前国内对于智慧实验室系统的研究还主要集中于理论设计或者单一模块功能的实现，市场上并不存在一款通用的，集设备、人员、安防管理于一身的智慧实验室系统。由此导致了集成度低、数据挖掘困难等问题。具体表现为：

（1）由于没有统一设计的智慧实验室系统，实验室只能采用功能单一管理软件的实现对设备、人员、安防的分别管理，如JIT（JUST IN TIME）系统、人员信息管理系统、安防系统等，难以体现人员和设备、安防之间的各种互动关系（如携带、使用、借出、保管等）。

（2）因各子系统软件互不统属，其在设计、开发及数据结构上存在较大差异，数据互联互通极为麻烦，更惶论从数据中提取关系、进行智能决策。

综上所述，为了加强对人员、设备、安防等内容的一体化管理，提高实验室工作效率，利用物联网技术建立本地化的快捷、轻便、高效、智能的综合管理系统势在必行。

3 研究难点及主要内容

基于物聯网的智慧实验室系统，由感知层、网络层和应用层组成，其中应用层又可以分为表示层、控制层、持久化层等子层，整个系统的设计从最底层的硬件系统到面向用户的图形界面，跨度很大，对设计人员的要求很高，其难点主要在于系统集成，软、硬件协同工作，跨平台兼容性等三个方面。下面分别从系统功能模块角度和软件架构层次角度对研究内容做以说明。

智慧实验室系统的功能模块如图1所示，主要包含：

（1）系统登陆模块：允许管理员采用网络认证、指纹扫描、RFID等多种方式登陆系统，查询、修改数据。

（2）网络信息平台：基于B/S架构浏览关键数据，实现远程控制、管理系统

（3）中央控制平台：主操控界面，可进行人员、设备、安防等多个模块的可视化管理。

（4）数据平台：为中央控制平台提供持久化和查询服务。

（5）扫描仓储模块：使用一维/二维编码、有线/无线扫码器，配合数据平台、局域网，完成生成条码、扫码、出库、入库、账目统计等操作。

（6）人员管理模块：使用物联认证设备实现人员打卡、进出记录、设备出借等操作，相关日志保存至数据库平台。

（7）安防系统：由身份认证、门（窗）禁、视频监控、声频监控、环境监控、报警等模块组成，利用红外、Zigbee、摄像头、光感、声感、烟感、温感、湿感、报警器等设备实现全方位的安全防护。

（8）灯光电力系统：实现灯光、用电的智能控制。

（9）智能展柜模块：实验室作品放入智能展柜公开展示，未经授权无法打开展柜，经授权操作都将被展柜系统记录，相关视频、人员及展品移动信息都将存入数据平台。

（10）扩展模块：预留硬件接口扩展板及软件编程切面，留待未来实现，或添加新功能。

智慧实验室架构层次如图2所示，其主要包含：

（1）传感控制网络：由传感器+控制器组成，对关键地域的温度、湿度、图像、声音、红外等物理参数实施监控，并对相关设备、节点进行远程控制，实现物联网的感知层和硬件抽象。

（2）ARM+Linux+Android中控平台：利用基于Arm架构处理芯片、Linux操作系统及Android平台，对传感控制网络信息的进行汇总和可视化操作，并将数据交互至Windows平台，从而实现移动端应用开发。

（3）Windows平台：建立基于Windows操作系统的监视、管理、控制程序并同Arm平台、Web平台及DB进行交互，实现桌面级应用开发。

（4）Web信息控制平台：建立基于html5的、适应多种平台的网站，实时展示系统参数并接受来自网络的控制请求。endprint

（5）数据库（DB）：保存系统参数、主要数据、身份信息及日志。

实现效果：

4 实现效果

智慧实验室系统通过Qt编程实现。软件共包含监控子系统和管理子系统两大部分，利用双重密码机制加以保护。使用浏览器或客户端经第一密码身份认证后可以登录中控台。如图3所示，整个窗体共包含六类监控机制：

（1）Zigbee网络监控菜单用于切换无线传感网络监控窗体。

（2）全局监控菜单用于切换全局视角（即当前图3所示内容）。图中左侧为智慧实验室平面布局动图，每个子区域都可以用鼠标点击，从而进入该区域的监控子窗口，右上为传感器节点信息子窗口，可以通过点击全局动图中的传感器图标（图中圆点）单独获取任意传感器的监控信息，如有特定报警传感器被触发，也会优先显示在传感器子窗口。右下为视频监控子窗口，动态显示當前被选中摄像头的摄入影像。

（3）蓝牙网络监控菜单用于获取蓝牙设备监控信息。

（4）电力系统菜单用于对智慧实验室的电力电子系统进行监控

（5）视频网络监控菜单构建了视频墙效果。统一对系统内所有的摄像头进行视频监控和管理。

（6）监控日志菜单用于记录所有门禁、报警信息及传感器状态，并对数据进行采样、保存和分析。

监控子系统下侧是管理子系统入口，通过第二密码可以进入管理子系统，从而对平台各功能模块参数、人员信息、仓储信息等内容进行详细的查询、备份和修改。

5 运行与测试

2017年1-6月，基于物联网技术的智慧实验室系统在某高校的实验室进行了多次安装和测试，获得评测结果如表1所示。实践证明系统是稳定和高效的。

参考文献

[1]高永清，商丹.基于ZigBee智慧实验室系统的设计[J].电视技术，2015，39（08）.

[2]林燕奎，熊贝贝等.现代智慧实验室的设计和应用[J].实验室研究与探索，2014，33（06）

[3]周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，2014，33（05）

[4]赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计.华北电力大学硕士学位论文，2015（03）.

作者单位

长春金融高等专科学校 吉林省长春市 130028endprint