基于物联网的智能实验室研究

伍星鑫　李佳音　陈婷

摘 要：本文结合高校实验室现状，针对传统实验室设备、人员和环境等存在的问题，提出构建一个基于物联网的智能实验室，从硬件和软件两方面提高实验室的利用率和安全性。当前，要充分利用物联网和互联网技术，加强实验室设备的内部联系，进行信息交换和通信，提高实验室的利用率和智能化水平。

关键词：物联网;智能实验室;射频识别;ZigBee

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）26-0033-02

Research on Intelligent Laboratory Based on Internet of Things

WU Xingxin LI Jiayin CHEN Ting

（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Based on the current situation of university laboratories and the problems existing in traditional laboratory equipment， personnel and environment， this paper proposed to build an intelligent laboratory based on Internet of Things， which improved the utilization and security of the laboratory from both hardware and software. At present， it is necessary to make full use of the Internet of Things and Internet technologies， strengthen the internal links of laboratory equipment， exchange information and communication， and improve the utilization rate and intelligence level of laboratories.

Keywords： Internet of Things;intelligent laboratory;Radio Frequency Identification （RFID）;ZigBee

高校實验室是提高学生实践、创新能力的重要实践环境，在高校日常教学中的作用和地位是无法代替的。所谓智能实验室，是指将物联网技术应用于实验室的设备和管理上[1]。物联网是指通过RFID（射频识别）、WIFI（无线网络）、ZigBee（无线传感器）和GPS（定位系统）等设备传感器，按照预先约定的协议，把各物品和互联网连接起来，进行信息采集、信号传输与交换以及通信处理，对连接到网络的对象进行智能识别、跟踪、监视、定位和管理[2，3]。

基于物联网的智能实验室最主要的目的就是利用物联网技术打造智能化的实验室。智能实验室依托智能化系统，分析和处理传感器等硬件采集到的数据，然后反馈给相关硬件设备，使其改变状态，将重要数据反馈至管理者。智能实验室分为四个模块，即采集模块、传输模块、处理模块和应用模块，如图1所示。

1 采集模块

物联网通过各类RFID（射频识别）、温湿度传感器、

光线传感器、门禁、摄像头、定位系统（GPS）、智能化节能设备和智能化考勤设备等，采集实验室温湿度、亮度、能耗和实验设备状态等数据。RFID作为物联网获取信息的传感设备，采用非接触式自动识别技术进行数据的双向通信，利用无线射频方式对电子标签或射频卡进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。其中，低频RFID设备可用来识别身份等，高频RFID设备可通过多标签识别技术应用在实验设备管理中。

对温湿度和光线有一定要求的实验室，可以通过设置对应的数值，辅以空调、灯光等将实验室环境调控至理想环境;采用门禁，可有效防止校外无关人员进入实验室;摄像头的布置安装需提前设计好角度，形成一个既可以监控实验室全部空间，又可以对部分地方进行特写的布局;对于贵重试验仪器设备，可在其中安装GPS芯片，防止被盗造成损失;智能化节能设备可在实验室无人使用的状态下关闭所有设备，达到节能效果;智能化考勤设备可以记录学生试验情况和教师出勤情况。

2 传输模块

数据传输在智能实验室建设中具有承上启下的作用。实验室中所有传感器采集到的数据和个人终端产生的控制数据必须经过传输模块传送到处理模块进行处理。其中，ZigBee（也称紫蜂）网络由协调器、路由节点和终端节点三部分组成，可构成树型、星型和网状拓扑结构，根据应用场合不同，选择合适的网络平台。在计算机实验室环境下，由于区域小，故采用星型网络，星型网络拓扑结构中，路由节点和终端节点可以直接与协调器进行通信，该拓扑结构控制和同步简单，对于无源传感器或有源传感器都有着良好的适用性，同时也可以保证数据的传输速度。利用WLAN（Wireless Local Area Network）通信技术，可将实验室内不同设备、传感器所发送的信息集中起来，传送到处理模块。当使用者未在实验室时，则需使用个人终端利用3G、4G或5G网络对实验室进行查询和控制等操作。

3 执行模块

人工智能实验室的管理系统支撑着人工智能实验室，处理来自多方的数据信息并给出处理结果。智能实验室管理系统面向的对象主要是学生、教师、实验室管理员和系统管理员。学生可以进入智能平台查询实验室信息、相关设备信息和试验内容等信息。教师可以通过智能平台查询实验课信息、试验仪器相关参数、学生试验情况和试验设备报修等内容。实验室管理员将学生、教师、设备、试验用品等信息录入系统，根据实际情况及时将各类信息同步至智能系统中，供学生、教师查询最新实验室相关信息。系统管理员根据实验室的建设和更新，及时增加系统中相应功能，设置学生、教师、实验室管理员的相关权限，对系统定期进行维护。

智能系统需处理来自实验室的各类传感器数据，并将实验室信息公开供学生、教师查询，实现开放式功能。学生根据信息调整相关试验计划和试验时间等，教师可以通过个人终端设备，提前将实验室环境设置到教学所需要的数值，申请教学所需设备、试验用品等。智能管理系统可以将整个学校的试验实训设备整合，实现资源共享，形成开放式实验室，从试验时间、试验项目、试验仪器的选取到方案的制订、项目的实施等，让学生自主完成。

4 应用模块

采集、传输和处理模块最终服务于应用模块。依靠前面三个模块的控制和计算结果，实验室的智能性才可以凸显。智能实验室可以对实验教学、实验资源、实验环境、实验安全和实验能源等进行可视、集中、高效的管理。

实验教学智能化主要是通过物联网技术设计一套全方位的教学方案，解决课下学生无法进行实验的问题，并制定课堂考勤方案，提高教学质量、教学效率。实验设备智能化通过物联网技术设计一套实验设备智能化管理方案，降低实验室设备的丢失率和损坏率，提高实验设备的利用率，让实验设备智能化。实验环境智能化可以对实验室错综复杂和多变的环境集中进行可视化管理，教师或者管理员按照规定的环境要求对实验室环境进行调控。实验安全智能化利用传感器网络覆盖结合视频监控，全方位监控实验室安全，通过智能实验室管理系统准确定位存在的问题并进行智能化处理，同时将信息发送至实验室管理员终端设备。实验能源智能化即通过智能实验室管理系统的计算处理结果，相應调控实验设备状态，达到节能减排、降低成本的目的。

5 结论

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，同时也是未来信息产业竞争的制高点，是智能产品升级的核心竞争力。基于物联网的智能实验室为学生和教师上实验课带来了极大的便利，但同时还存在一些问题，需要人们进行更深层次的研究和探索。随着物联网的不断发展，基于物联网的智能实验室将不断更新和应用，从而提升师生对智能实验室的体验感和认同感。

参考文献：

[1]倪鹏.基于物联网的实验室智能化管理系统的研究[J].吉林省经济管理干部学院学报，2014（10）：27-29.

[2]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（5）：239-243.

[3]李红丽，马耀锋.基于物联网技术的智能实验室管理系统[J].福建电脑，2017（12）：30-31.