实验室智能物联感知平台设计与实现.pdf

现代计算机Modern Computer第 29 卷 第 12 期2023 年 6 月 25 日实验室智能物联感知平台设计与实现齐倩倩1，罗跃逸2*（1.中南大学大数据研究院，长沙 410083；2.中南大学数学与统计学院，长沙 410083）摘要：实验室是高校培养学生学习能力和创新能力的基地，随着人工智能、大数据、物联网等信息技术的发展，针对高校实验室普遍存在的管理效率低、维护成本高等问题，设计基于物联感知技术的实验室智能化平台，实现实验室设备监测、异常报警、智能巡检等功能，使高校实验室运行管理工作更加科学化和制度化，进一步提升实验室管理效率和教学科研效果。关键词：智能化；物联感知；实验室建设文章编号:10071423（2023）12009405DOI:10.3969/j.issn.10071423.2023.12.017收稿日期：20230221修稿日期：20230331作者简介：齐倩倩（1997），女，湖南衡阳人，硕士研究生，实验师，研究方向为软件工程与信息系统、计算机视觉；*通信作者：罗跃逸（1986），男，广西柳州人，博士研究生，实验师，研究方向为软件工程与信息系统、网络资源管理与服务，Email：0引言教育信息化2.0行动计划提出开展智慧教育创新发展行动，要求以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育模式变革和生态重构1。实验室是学校、科研机构开展人才培养、科学研究和社会服务活动的必备场所，也是培养学生动手实践能力、综合应用能力和创新能力最重要的基地，其建设和管理水平将对高校的教学和科研产生重要的影响2。但大量老旧设备的囤积及高精尖设备的投入导致目前高校实验室普遍存在设备资源闲置、故障排查复杂、设备管理效率低、维护成本高、数据安全性差等问题3。因此，亟需建设一套系统一体化、设备可视化、管理智能化的实验室物联网平台，通过采集设备运行状态数据，结合实验活动安排，实现实验设备部分功能的智能自控和管理行为引导，为实验室教学科研实验活动的有效开展提供稳定的环境，促使实验室设备管理进入崭新的智能管理阶段。1物联网技术物联网技术的概念提出于1999年，但早期受信息技术和智能技术发展的限制，并没有被大规模地深入使用于各个行业。随着信息技术的发展，陆续出现了基于蓝牙、WiFi、GPRS等无线通讯技术，主要在智慧城市、智能家居等场景使用广泛。根据无线通信技术的差异，不同无线通信协议的使用场景和深入程度互不相同，目前，物联网设备接入场景逐步向高并发、低功耗、远距离发展，带动了新一代的物联网技术兴起。ZigBee协议在工业控制等领域应用广泛，它有低成本、低功耗、自组网、安全性强等特点，但由于ZigBee协议不能接入互联网，且数据传输速率低，因此其难以满足视频、流媒体等大流量应用4，在家用及消费领域应用空间有限。低功耗广域网是一种专为低带宽、低功耗、远距离、高并发的使用场景而设计的物联网技术，以 LoRa和 NB-IOT为典型代表。由于LoRa基于Sub-GHz频段，信号的穿墙能力强且可以使用电池等能量收集的方法供 94齐倩倩等：实验室智能物联感知平台设计与实现第12期电，能以较低的数据速率延长电池寿命、增加网络容量，因此LoRa更易以较低功耗进行远距离通信，更适合于低成本大规模部署的物联网场景，十分适合于高校应用。2系统分析与设计2 2.1 1系统功能分析系统功能分析传统多系统集成方案一般为开通软件平台接口，导致一个平台拥有多套子系统软件、多套通信回路和多种不同的控制室监控主机并存的情况，本文基于无线窄带数据组网技术，从前端设备和传感器端进行整合，从而实现多种前端数据监测设备、一套通信回路、一个管理平台的模式，将智能化领域中的设备监测、异常报警、智能巡检等功能融合到一个私有云物联网平台进行管理，减少了大量的系统架构冗余和重复性施工。2 2.2 2系统架构设计系统架构设计智能物联感知平台由物理设备层、接入传感层、网络传输层和物联平台层组成。接入传感层对应空调控制器、温湿度传感器、通用数据采集器、各类智能开关等传感终端，通过数据采集进行统计管理；网络传输层将采集数据汇聚至智能物联网关中，网关通过互联网将数据传送至物联平台。通过构建无线窄带数据组网，设计不同的前端设备监测模式，将实验室设备监测、异常报警、智能巡检等功能融合到私有云物联网平台统一展示。烟感温湿度漏电门禁监控手机客户端监控大屏实验桌面 空调投影仪物联平台层物联平台层物理平台层物理平台层网络传输层网络传输层接入传感层接入传感层图 1物联感知平台架构2 2.2 2.1 1物理设备层物理设备层物理设备层由受控电器设备组成，包括常见实验环境设备（如投影仪、灯光、空调、实验仪器等）。2 2.2 2.2 2接入传感层接入传感层接入传感层由感知、控制、仪表三类设备组成，主要负责采集数据及控制命令执行。感知设备包括烟雾传感器、行人感知、温湿度传感器、智能门禁等；控制设备包括控制电脑、投影仪、灯光、空调等；仪表类设备包括统计能耗的智能插座、空气开关等。此外，接入传感层可扩展其他传感器，与已有传感器智能联动。2 2.2 2.3 3网络传输层网络传输层网络传输层主要由LoRa网关、数据采集设备组成，将采集数据通过LoRa通信协议汇聚至智能物联网关中，并根据地址将控制指令分发给相应传感设备。智能物联网关负责联网信号、对接TCP/IP网络、下发控制命令、回传设备状态、管理终端设备、设置智能情景策略等核心功能。2 2.2 2.4 4物联平台层物联平台层物联平台层由私有云物联平台提供对设备监测、异常报警、智能巡检等相关统一管理应用。此外，平台支持使用移动端、PC端和Web端对接平台接口，对传感终端、LoRa网关等物联网设备进行访问控制，打造基于物联感知的智能化实验室。3智能物联感知平台功能设计与实现（1）设备管理可视化。管理人员可以使用手机、电脑、平板等设备，在平台中通过设备管理功能可视化各个设备运行状态，实现远程控制实验室设备，可视化界面如图2所示。（2）设备管理智能化。设备管理既可以单一个性化控制，也可以批量式一键控制，如一键打开教室里的灯光、空调、投影仪、电脑、门禁等。还可以通过情景面板设置不同情景实现智能自动控制，以及设置定时任务，控制设备在设置时间段自动执行设置的任务，如图3所示。95现代计算机2023年（3）电器设备巡检。利用平台巡检电器设备场景，包括运行状态、设备异常、用电安全等，并查看巡检详情。当巡检不通过时，平台会实现异常报警，管理人员可查看具体异常详情，部分异常可直接在平台上远程操控消除；复杂异常需现场解决时，可辅助定位到异常具体位置，无需逐个排查，提高设备维护工作的效率。电器设备巡检界面如图4所示。图 2设备管理可视化界面 图 3智能情景设置 图 4电器设备巡检 96齐倩倩等：实验室智能物联感知平台设计与实现第12期（4）数据统计。管理员可以查看设备应用情况，远程进行实验室管理，统计各个场景的用电情况、温湿度情况、烟雾监测、实时告警等设备运行信息数据。设备运行数据统计如图5所示。（5）告警策略分析。管理人员可进入告警系统，查看告警事件日历（图6），展示安全告警列表（图7），形成告警详情报告，通过统计分析告警事项，可以预处理同类故障，提高工作效率。图 5设备运行数据统计 图 6告警事件日历 图 7安全告警列表 97现代计算机2023年4平台优势（1）故障排查更加简单。实验室智能物联感知平台实现了整个区域物联网设备系统的一体化整合，降低了后期的维护维保费用，降低故障排查工作量，减少重复故障的发生，使用更加稳定可靠。（2）设备管理效率大幅提升。实验室智能物联感知平台实现了物联网设备的可视化管理，管理员可以通过平台远程控制各个电器设备的打开和关闭，一键管理所有的物联网设备，设置定时打开物联网设备，从而实现教学设备的高效管理。（3）维护成本低。实验室智能物联感知平台通过统一管理物联网设备、巡检电器设备进行数据统计分析，以较低的经济成本和较少的人员投入维持较高的系统运转效率，实现高效能与高效益。（4）数据安全性高。实验室智能物联感知平台采用的窄带技术具有数据传输带宽小的特点，可以满足基础的数据交互和联动控制，但无法传输音频、图片和视频，因此降低了数据泄露的风险；同时，由于该技术采用的是私有协议，使用高性能处理器配以加密手段，可以保证在不了解私有协议时几乎无法破解；此外，该技术还增加了数据缓存、数据校验和数据复发等方法来保证传输的稳定性，在受到同频干扰时仍可保持通讯的稳定性和准确性。5结语为推进信息技术与教学科研的融合与深化，本文设计并实现了实验室智能物联感知平台的架构，加快了智能化教学科研新环境的建设应用，使实验室成为智慧学习支持环境紧密相连的物理空间节点，使实验室设备成为智慧学习环境的强力支持工具5。参考文献：1 孙飞鹏，汤京淑.高校智慧教室的建设与评价：以北京语言大学为例 J.现代教育技术，2019，29（12）：7581.2 崔贯勋.基于物联网的实验室智能化综合管理系统设计与实现 J.实验室研究与探索，2015，34（11）：217220，266.3 张丹，崔光佐.“互联网+教育”背景下高校智慧实验 室 的 构 建J.现 代 教 育 技 术，2019，29（6）：122126.4 李楠.基于物联网技术的高校智慧实验室设备管理系统的设计与实现 J.信息技术与信息化，2021（3）：202205.5 朱榕.高水平大学建设背景下的高校实验室建设与管理 J.实验室研究与探索，2018，37（3）：278282.Design and implementation of laboratories intelligent IoT perceptionplatformQi Qianqian1,Luo Yueyi2*（1.Institute of Big Data Research,Central South University,Changsha 410083,China;2.School of Mathematics and Statistics,Central South University,Changsha 410083,China）Abstract:The laboratory is the base for colleges to cultivate students learning ability and innovation ability.With the development of information technologies such as artificial intelligence,big data,and the Internet of Things,aiming at the common problems of low management efficiency and high maintenance costs in university laboratories,the intelligent laboratory platform basedon the Internet of Things sensing technology is designed to realize the functions of laboratory equipment monitoring,abnormalalarm and intelligent inspection,which makes the operation and management of college laboratories to be more scientific and institutionalized,and further improves laboratory management efficiency and teaching scientific research effects.Keywords:intelligent;IOT perception;laboratory construction 98