物联网技术在高校开放性智慧实验室管理系统中的应用研究

物联网技术在高校开放性智慧实验室管理系统中的应用研究

熊芳 ,马文娟 ,袁新来

湖南涉外经济学院  湖南长沙  410205

摘要：随着新一代信息技术物联网技术的应用范围越来越广，将其引入到开放性智慧实验室管理中，能够有效提高管理效率。文章阐述了物联网体系架构与关键技术以及基于物联网技术的高校实验室管理系统的设计与实现方案，对于促进实验室管理水平的提升，增强提高开放性实验室智慧化管理具有重要意义，使实验室真正成为促进“双一流”建设的强大平台支撑。

关键词：物联网；物联网技术；智慧实验室；开放实验室

1引言

近年来，信息技术的迅猛发展，尤其是强大的物联网技术、移动互联网技术等的蓬勃发展，对高校实验室开放性、智慧化管理的实现提供了强大的技术支撑。物联网（IoT）这一概念于1999年被提出，其定义为将一切物体通过射频识别（RFID）和其他信息传感设备连接到互联网上，从而达到智能化识别、定位、追踪和监督的目的。所谓物联网技术，就是将各种传感器与已有互联网进行连接的新型技术。在物联网技术的支持下，信息获取灵活且传输可靠，易于维护，从而逐步成为实验室管理系统开发研究的方向。由于其自身具有强大的感知能力、计算能力、通信能力以及智能处理能力，因而被称为“继计算机、互联网之后第三次信息产业革命”。它不仅能提高人们生活水平，还将改变人类社会的生产生活方式。本文使用当前日益广泛应用的物联网技术，从根本上实现了一个智慧化、自动化、开放性的实验室管理系统，并对一些关键技术的应用展开研究。

2物联网体系架构

典型的物联网体系架构由感知层，网络层以及应用层构成。最底层感知层是物联网集成感知系统的核心，是物联网在核心技术、标准化、产业化等领域急需突破的环节。主要是利用各类感应器（如光感、温度、湿度、体感、气感、重力感应等）和节点设备，收集需要采集的信息。其关键就是要有更加准确综合的感知能力以及低功耗、小型化、低成本等特点。中间层网络层则是以覆盖范围更大的移动通讯网络为基础，将数据通过无线技术（例如Lora、ZigBee、近场通信、蓝牙、4G、5G等）或有线技术传输到后台服务器上。网络层是目前物联网应用中工业水平和标准化程度最高、发展最为成熟的组成部分，其关键就是要针对物联网应用特征对其加以优化和重构，从而形成一个系统的感知网络。最上层应用层将前端所收集的信息进行过滤、分析、存储、处理，并利用人工智能和大数据进行分析，获取需要的数据，以达到实际应用的目的，为物联网技术和产业信息化需求提供了丰富应用并实现了广泛的智能化应用方案，其关键是产业融合、信息资源开发和利用、低成本优质方案、信息安全保障和高效商业模式发展。

3物联网关键技术

ZigBee技术，可以工作在全球流行的2.4GHz、欧洲流行的868MHz和美国流行的915 MHz3个频段上，是一种基于 IEEE802.15.4协议的高可靠地应用于短距离和低速率下的无线通信技术。它以强大的自组网和较好的自修复性能为特色，能够为用户提供灵活机动的组网模式，在物品定位、环境数据采集等方面有着广泛的应用前景。射频识别技术，是一种将无线射频技术与嵌入式技术相结合的集成技术，能够对物品进行自动识别和追踪，在物品管理、物流管理等方面有着广泛的应用。利用传感器技术，可以实现物体间的信息交互，将模拟信号转化为数字信号再由计算机进行加工，是将现实世界与信息世界相结合的一个重要环节。NFC 技术，即近距离接触技术，由射频识别技术RFID和互连技术衍生而来，它可以在两个无线装置之间进行信息交换、内容访问和服务交换，同时简化了它们之间的通信方式，极大地减少了两台无线装置之间的通信距离。NFC集成了非接触读卡器、非接触卡、点对点的功能，为用户的生活带来了新的体验，它是一个能快速、主动地建立无线网络的开放式界面平台，同时也能为现存蜂窝网络、蓝牙、802.11无线设备提供服务的虚拟连接器。嵌入式技术，是一种将计算机软硬件技术、传感器技术、集成电路技术和应用技术相结合的技术，用于执行专用功能。近年来，嵌入式技术发展迅速，所涉及的行业范围较广，比如手机、 PDA、车载导航、工业控制、多媒体终端、网关、数字电视……随着嵌入式技术在智能终端领域的应用日益普及，对其的研究也越来越深入。智能技术，是物联网中的一项核心技术，通过将智能系统嵌入到对象当中，可使对象具有一定智能性并能主动或者被动地实现和用户之间的交流。

4基于物联网技术的高校实验室管理系统的设计与实现

本系统的建设目标是将物联网技术应用到实验室管理中，实现实验室环境监测、设备管理、辅助教学等综合管理功能。系统需要实现用户管理、系统数据管理、实验室相关信息管理、开放实验管理、智慧终端管理（智能门禁、智能灯光、智能签到、环境信息监测）等功能。将物联网三层架构的思想融入到系统架构当中，采用分层、模块化的方式，从而使系统各功能模块内聚性更高、耦合度更低。实现实验室管理信息化、智慧化，为“双一流”建设工作提供有力支撑。具体的目标是建立一个基于物联网技术的管理系统，利用射频、

IC卡、二维码识别等技术，对实验室管理人员、任课老师、仪器设备进行信息化管理；釆用物联网技术与移动互联网技术相结合的方法，对实验室进行智能控制，例如电源控制、照明控制、学生校园卡智能签到、实验室环境实时监控等；建立健全的信息资源库，实现管理员、学生、教师、实验室、实验设备、实验教学等信息的查询和管理；对已有的资源进行统计分析，优化实验室安排、实验项目开设、实验设备使用等，对教学情况、实验过程、实验有效性、设备故障率、新增率、使用率等进行综合分析，为教学计划安排、实验课程开设、实验内容改进、实验设备采购等方面进行方案推荐和决策支持；激发学生学习的自主性，实现实验室的开放，使学生能够快捷预约开放性实验，从而提高学生的自主学习能力和创新能力，提高实验室和实验室设备的使用效率。

4.1感知层的设计与实现

感知层的主要作用是对目标对象进行识别并采集数据，利用无线传感器对实验室内相关数据进行实时监控，采用无线传输技术将所获得的数据传送至微控制器，在此基础上设计基于嵌入式技术的实验室环境监测系统，从而达到对实验室环境信息进行监控，对设备信息进行录入等作用。作为元器件的传感器必须与微控制器配合使用来检测环境的数据信息。本系统以TI公司生产的CC2530为微控制器, ZigBee模块主要是通过无线方式进行数据的传递，同时还可以通过传感器来实现对实验室环境的感知。微控制器CC2530 是一种真正的片上系统解决方案，集成射频收发机、工业标准8051处理器、可编程闪存、8-KB RAM以及其他一些功能，具有低功耗的特点，支持IEEE802.15.4 协议标准，并且支持先进的 Z-stack 协议栈。它可以在材料费用很少的情况下，构建一个强有力的网络结点。在设计时将CC2530输入/输出端口引出，便于接收、控制某些外部器件（例如光电传感器）的数据信息。传感器采集的信号传送至微控制器中，然后在微控制器中进行数据转换并最终由ZigBee将数据发送给服务器以供应用程序进行应用与处理。

4.2网络层的设计与实现

网络层主要是针对实际需求而设计的，为使数据能够迅速、准确地传送到中控端，必须建立一个嵌入式系统，以完成对感知层的信息的传递。感知器在收到监测数据及设备数据后利用标准网络协议向服务中控端发送数据。目前云端物联网平台与设备间的通讯基本上都是在 TCP/IP协议的基础上重新封装数据包，所以我们可以通过 WIFI、4G、5G设备和云计算平台进行通信，设备间的通信可以通过ZigBee、 WIFI、 蓝牙等。本系统无线监测模块采用基于IEEE802.15.4规范的ZigBee协议规范向中控单元传输环境感知信息，不仅高可靠、高性价比和低功耗，还实现了ZigBee节点之间的智能联动。集成中控系统设计要求搭建嵌入式系统（由嵌入式硬件与嵌入式软件组成）。嵌入式硬件方面选择了集成开发板（IDA），主要是对核心处理器及其外围电路进行设计。本系统中WIFI 模块的主控芯片选用Ralink公司的RT5350芯片进行开发， RT5350采用 Ralink的2.4 GHz的802.11 n技术，只需少量的周边设备即可低成本实现更大的网络覆盖和更高的无线吞吐量。RT5350芯片内置OpenWRT，OpenWRT是模块化、自动化程度更高、网络组件更强、扩展性更好的嵌入式Linux。基于 OpenWRT 系统来进行WIFI 模块的软件设计，首先需要对 OpenWRT 系统做一些配置处理，如重新为WIFI模块配置IP 地址、更改网络接入方式、增加一个网络接口给WIFI模块、设定连接口令、设置WIFI名称、构建交叉编译环境等。将已配置好的 OpenWRT系统编译完毕后，在 WIFI模式中写入新的固件，并将网关模块上电，在环境中处理输入的环境信息并将数据通过 ZigBee无线网络进行传输，就可以通过 WIFI信号与 ZigBee通信了。

4.3应用层的设计与实现

应用层的功能是建立数据库，设计应用软件，将感知装置所收集到的数据进行存储，然后对各种数据进行分类的处理和加工，以满足不同的应用需求。存储应用部分主要完成两个任务，一是将中控单元发送的数据进行解析后保存在数据库中，二是输入实验课程中需要的各种教学资源供访问者进行存取。系统通过数据库对数据进行存储与管理。在实际应用中，首先要从数据库中获取所需的监测数据和报警信息，并将其发送给管理员；同时根据用户分类信息，对每个用户分配相应的操作权限和访问权限；应用部分根据实际的应用需要进行开发，可以对采集到的环境监测数据进行分析处理，并提供相应的实验资源。用户还可以根据实验室使用情况预约实验室进行开放性实验。应用功能包括手机端应用和 PC 端应用，通过移动终端 APP和 PC端与ZigBee- WIFI网关模块进行通信，可以实现远程遥控（如开关灯、电源、门）。通过网关模块对视频监控摄像机进行采集，通过

ZigBee的电源节点供电来实现。移动终端 APP的应用是以 Eclipse集成开发工具为基础的 Java语言开发的。APP在网关模块的 WIFI信号中，移动终端APP可以与 WIFI信号相连，利用 Socket与ZigBee- WIFI网关模块进行通信，实现对 ZigBee网络的远程控制。移动终端 APP的遥控，使实验室的管理更加智能化和便捷化，管理员可以随时通过移动终端查看实验室的使用情况，便于对实验室进行实时的监测，从而能够及时发现问题并解决问题。PC端采用的是B/S结构，在J2EE平台上，前端由HTML、JS、CSS语言编写，后台用Java语言编写，系统的数据库管理使用的是MySQL。实验室管理人员同样可以通过PC端对实验室进行监控。实践证明，本系统能较好地完成对实验室的管理，并能有效提高实验室管理的效率和效果，为学校节约人力、物力、财力。此外，系统还具有很好的可扩展性和兼容性。

5结论

本文提出了一种以物联网技术为核心的开放性智慧实验室架构模型并设计了开放实验室系统，基于本系统可以实现实验室设备和人员统一调度与智慧化管理，以提高实验室设备的有效利用率，根据兼容并蓄的原则，尽量为其他产品提供更多的开发接口以方便集成使用，在硬件建设中，充分考虑了系统和人员的扩充需求，保留了一定的系统冗余，使得实验室的管理更加智能、开放、高效、快捷。基于物联网架构下的实验室管理模式则是将物联网技术运用于实验室管理的一次大胆尝试与革新，对于提升开放性实验室智能化管理水平有着十分重要的意义。

参考文献

[1]曾文军.基于云服务的虚实结合实验平台设计与实现[D].大连理工大学,2018.

[2]聂跃光，户晓玲.基于物联网的实验室管理系统设计［J］.物联网技术，2020，6:98-101．

[3]杜朋.基 于“互 联 网 ＋”的 髙 校 开 放 实 验 室 管 理 系 统[D].安徽理工大学， 2018.

[4]赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计[D].华北电力大学,2015.

[5]王金龙.基于ZigBee和混沌加密的智慧实验室系统设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2018.

[6]付莉,付秀伟,陈玲玲等.ARCS模型在数字电子技术实践教学中的应用[J].吉林化工学院学报,2020,37(2):13-17.

[7]景少军.基于物联网的计算机实验室智能化管理系统研[J].信息记录材料，2020，21（10）:232-233．

作者简介：熊芳（1981-），女，汉族，湖南安化人，硕士研究生，高级实验师/信息系统项目管理师，研究方向为开放实验教学、物联网和大数据、信息化教育.

基金项目：2019年湖南省教育厅科学研究项目“基于物联网架构的高校开放性智慧实验室管理系统研究”（湘教通[2020]353号）NO.19C1073阶段性成果.