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1、計算機論文：淺析物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用 　　0 、引 言 　　隨著新工科理念的提出,實驗教學(xué)已成為高等院?？茖W(xué)發(fā)展、知識創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的重要實踐環(huán)節(jié),在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)下,實踐能力成為一個硬性指標,由此而產(chǎn)生的就是增加實驗課的比例,提高實驗室的有效利用率,增加實驗室建設(shè)的投入,以促進學(xué)生實踐能力的自我提升。與此相凸顯的是,對實驗室的管理和使用仍然停留在原先的實驗員管理、教師講解和學(xué)生課堂操作的老舊模式上。因此,如何科學(xué)合理地管理實驗室,讓它能高效地服務(wù)高校師生,成為一個亟待解決的問題。對實驗室的管理主要是實驗設(shè)備的管理、實驗室的安全管理、實驗教學(xué)管理等部分[1]。

2、 　　傳統(tǒng)的實驗室在設(shè)備管理上一直都是實驗室管理員實地管理,定期檢查實驗室的用水、用電等安全隱患,只有少部分的科研院所加入了信息化的輔助,對實驗室內(nèi)的溫度、濕度、光照和煙霧等進行監(jiān)測。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,借助傳感器實現(xiàn)實驗室環(huán)境信息和設(shè)備信息的實時采集,可在很大程度上方便實驗設(shè)備的有效管理。在實驗教學(xué)上,絕大部分高校仍然采用傳統(tǒng)意義上的面授方式,即老師講、學(xué)生照做,這種教學(xué)形式對學(xué)生思考探索和課后復(fù)習(xí)有一定的不利因素,形不成系統(tǒng)的體系。近年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,遠程視頻教學(xué)方式異軍突起[2],得到了廣泛的應(yīng)用,遠程教學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了優(yōu)秀教師、先進教學(xué)方法等教學(xué)資源的集中利用,滿

3、足了不同層次用戶的多種需求。應(yīng)用這一理念,在實驗實踐教學(xué)中可有效利用高效豐富的實驗設(shè)備和實驗資源,應(yīng)用音視頻教學(xué)和操作演示講解實驗教程和實驗,供學(xué)生從多方面靈活學(xué)習(xí)實驗知識,提高實踐能力。 　　實驗室規(guī)模的日益擴大和實驗設(shè)備的持續(xù)增長,也給實驗室的日常管理帶來了一些新的問題,使用傳統(tǒng)的實驗室管理方式已不能滿足現(xiàn)有的管理要求。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與遠程教育技術(shù)相結(jié)合,采用信息化方法,研制一套集成度較高的實驗室管理系統(tǒng),可輔助實驗室管理人員合理高效地管理實驗室設(shè)備、靈活地對實驗室環(huán)境進行實時監(jiān)測,同時也為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了一種靈活的、更高效的學(xué)習(xí)形式。 　　1 、研究現(xiàn)狀

4、 　　最近幾年,我國一些企業(yè)和科研機構(gòu)也開始關(guān)注實驗室管理的信息化建設(shè)。北京百奧利盟在2012年推出了針對生物研發(fā)、醫(yī)藥制造和化工企業(yè)管理的Bio-LIMSV1.0[3],該實驗室管理系統(tǒng)在一定程度上實現(xiàn)了生化類實驗室在日常、項目課題、庫存、材料消耗及訂購等的主要功能。除此之外,它還能對實驗室內(nèi)部的化學(xué)試劑庫存量與使用情況做出智能化分配,并對一些特殊的化學(xué)試劑設(shè)計定制化管理方案。 　　此外,行業(yè)中還出現(xiàn)了一些滿足特定領(lǐng)域需求的實驗室管理系統(tǒng)。2016年,青島帕特智能科技研制了一套實驗室能耗管理控制系統(tǒng)[4],對實驗室內(nèi)用電設(shè)備的工作情況通過傳感器檢測技術(shù)來感知,并進行

5、差別性管理,極大地降低了實驗室用電的損耗。成都晨科軟件研發(fā)了一套商用的實驗室管理系統(tǒng)[5],主要用于教學(xué)單位和教學(xué)機構(gòu)的排課管理和收費管理等。 　　在國外,StarLIMS數(shù)年來一直致力于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測類實驗室管理及解決方案的研發(fā),在歐洲、北美已經(jīng)占據(jù)了很大的市場份額[6]。 　　綜上可知,實驗室管理系統(tǒng)的建設(shè)已引起了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的高度關(guān)注。但是這些系統(tǒng)大多都是針對生化類實驗室的管理監(jiān)測,綜合程度不高,功能較為單一,且價格昂貴[7]。因此,設(shè)計一種通用的、經(jīng)濟的、集成化程度較高的,用于實驗室的日常管理和環(huán)境監(jiān)測的實驗室管理系統(tǒng)顯得尤為重要。

6、 　　2 、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用 　　2.1、 物聯(lián)網(wǎng)概述 　　物聯(lián)網(wǎng)這一概念,我國在1999年提出來的時候叫作傳感網(wǎng)。中科院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)的研究和開發(fā)。與其他國家相比,我國的技術(shù)研發(fā)水平處于世界前列,具有國際同發(fā)優(yōu)勢和重大影響力。2005年11月27日,在突尼斯舉行的信息社會峰會上,國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。 　　物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)起源于傳媒領(lǐng)域,是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,將任何物體與網(wǎng)絡(luò)

7、相連接,物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)等信息承載體,讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。簡言之,物聯(lián)網(wǎng)就是一種通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實現(xiàn)物物相息的智能化識別和管理系統(tǒng)[8]。 　　與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比,物聯(lián)網(wǎng)還具有其特有的3個特征[9]。 　　(1)物聯(lián)網(wǎng)中,在各個網(wǎng)絡(luò)層面應(yīng)用不同類型的感知技術(shù),例如使用多種無線傳感器技術(shù)實時監(jiān)控和采集不同種類的信息。 　　(2)目前的“物聯(lián)網(wǎng)”,還是在已存的、傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上所建立起來的、遍布全

8、球的、以實現(xiàn)物物相息的泛在聚合網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,構(gòu)成了一個復(fù)雜的超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),在該種網(wǎng)絡(luò)上,物聯(lián)網(wǎng)各傳感節(jié)點采集的數(shù)據(jù),通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實時準確地進行傳輸。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)主要是傳感器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量極為海量,需要使用超大容量的存儲設(shè)備和存儲技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行存儲。此外,為了保障物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點對相應(yīng)感知數(shù)據(jù)的準確采集,物聯(lián)網(wǎng)還必須具有良好的靈活性、伸縮性和可擴展性,以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)所處的各類異構(gòu)協(xié)議環(huán)境與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。 　　(3)由于物聯(lián)網(wǎng)本身具有一定的智能協(xié)調(diào)能力,并提供了與多種類型的移動節(jié)點的的無線連接。因此,基于物聯(lián)網(wǎng)可以自動識別一切連接到全球網(wǎng)絡(luò)中的物品,并對其

9、進行智能控制。還可方便地利用云計算、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘等已有的智能處理技術(shù),對基于物聯(lián)網(wǎng)的海量感知數(shù)據(jù)進行分析、加工、處理和應(yīng)用。 　　2.2 、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu) 　　大體而言,物聯(lián)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)可劃分為三層[10]:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 　　感知層就像是整個物聯(lián)網(wǎng)的感覺器官,用于對物品進行感知和識別。該層的主要功能是使用各種類型的感知器對感知區(qū)域中的物體進行識別,以及對各類感知的識別與采集。 　　網(wǎng)絡(luò)層是整個物聯(lián)網(wǎng)的核心,與人的神經(jīng)中樞和大腦的功能類似。該層主要是對海量感知數(shù)據(jù)進行傳輸與處理,主要功能為:數(shù)據(jù)傳輸、海量信息處理、海量

10、信息存儲以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)管理等。 　　應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)處理與用戶需求進行交互的部分。該層主要是對物聯(lián)網(wǎng)中各類物品進行智能化管理與識別控制。通過這一層次,實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與社會中各行業(yè)的深度融合,以及對相應(yīng)過程的智能化管理與控制。 　　3、 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室管理系統(tǒng) 　　3.1 、目標及因素 　　實驗室中儀器設(shè)備種類繁多,功能部件各不相同,對環(huán)境的要求也各不相同,甚至部分儀器設(shè)備對環(huán)境的要求非常嚴謹。根據(jù)這一特點,實驗室的管理工作主要是對實驗設(shè)備的管理維護和實驗室環(huán)境的監(jiān)測與控制。此外,實驗活動的開設(shè)受到時間和地點的限制,無法滿足學(xué)生

11、實驗后續(xù)的練習(xí)和總結(jié),分批次重復(fù)實驗又額外增加了任課教師的工作量。針對這一問題,如果整合優(yōu)秀的實驗內(nèi)容和方法等資源,以文檔或者視頻的形式集中存儲在中控服務(wù)器上,學(xué)生可通過手持終端遠程訪問,可方便進行復(fù)習(xí)總結(jié)和自學(xué)思考,也可減輕實驗教師的工作負擔(dān)。 　　3.1.1、 設(shè)計目標 　　本實驗室管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中,管理員可以通過PC機客戶端或手機端實時監(jiān)測實驗室信息,實現(xiàn)對管理實驗室設(shè)備的有效管理。學(xué)生也可以通過終端學(xué)習(xí)實驗內(nèi)容、實驗儀器使用說明等教學(xué)資源。 　　圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 　　結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)和實際建設(shè)需求

12、,對系統(tǒng)進行了層次結(jié)構(gòu)劃分。 　　感知層主要進行信息的獲取,使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對實驗室內(nèi)的溫濕度、光照度、煙塵濃度等自然信息進行實時監(jiān)測。可通過掃描設(shè)備,快速準確地識別和獲取實驗器材、實驗設(shè)備等信息。將采集的信息應(yīng)用無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)街锌卮鎯卧? 　　網(wǎng)絡(luò)層主要根據(jù)實際需要完成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計,為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速準確地傳輸?shù)街锌貑卧?需構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)來完成對感知層信息的中轉(zhuǎn)傳輸。 　　應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)庫的建立和應(yīng)用程序的設(shè)計,用于存儲感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù),并對不同數(shù)據(jù)分別進行加工處理,對不同的應(yīng)用端做出相應(yīng)的響應(yīng)。 　　3.1.2、

13、 考慮因素 　　感知層實時采集環(huán)境信息對帶寬、速率和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Services,QoS)[11]的要求不是太高。但是要求網(wǎng)絡(luò)整體成本低、傳輸精準和實用性強。因此,系統(tǒng)在設(shè)計過程中主要考慮以下要素。 　　(1)低成本。 　　感知層要實現(xiàn)對環(huán)境的感知功能,需要用到大量的微型控制器和傳感器。而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)本身的節(jié)點個數(shù)非常多,在每個節(jié)點上布置的感知器的總量就會很多,因此,降低單個節(jié)點的成本會使系統(tǒng)的總體造價大幅度降低。 　　(2)高可靠性。 　　系統(tǒng)需要對一些關(guān)鍵點處進行實時監(jiān)測,如設(shè)備工作狀態(tài)、實驗

14、室溫濕度、煙塵濃度等。要求實時準確地監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù),有異常數(shù)據(jù)要及時反饋給管理員。高可靠性也從側(cè)面反映了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實用價值。 　　(3)易用性。 　　操作簡單是系統(tǒng)需要重點考慮的問題。系統(tǒng)應(yīng)從使用者的角度,為解決生產(chǎn)和生活中的實際問題而開展設(shè)計。因此,設(shè)計應(yīng)盡可能地做到界面友好,操作簡單。 　　(4)可擴充性。 　　由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究正處于一個不斷發(fā)展的研究階段,有很廣的發(fā)展前景,因此,在系統(tǒng)設(shè)計之初就應(yīng)該考慮應(yīng)用的升級和二次開發(fā)。 　　3.2 、系統(tǒng)總體設(shè)計 　　按照結(jié)構(gòu)進行層次劃分,基于物聯(lián)網(wǎng)

15、的實驗室管理系統(tǒng)可分為三層,每層的主要功能和子功能模塊見表1所列[12]。 　　表1 物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)旨在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計一套能夠用于實驗室環(huán)境監(jiān)測、實驗設(shè)備管理、實驗輔助教學(xué)等功能的綜合性管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要實現(xiàn)環(huán)境信息感知、實驗設(shè)備存儲、無線傳輸、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、在線學(xué)習(xí)等功能。將物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)理念融合于系統(tǒng)中,進行層次化和模塊化設(shè)計,使系統(tǒng)各功能之間具有較高的內(nèi)聚性和低的耦合度。 　　3.3、 系統(tǒng)具體設(shè)計 　　應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)對實驗室管理系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,參考物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合具體應(yīng)用空間,實現(xiàn)了實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)采

16、集、系統(tǒng)集成中控、感知數(shù)據(jù)存儲、交互應(yīng)用等功能。實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)采集通過感知層功能實現(xiàn),系統(tǒng)集成中控通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議來保證,感知數(shù)據(jù)存儲和交互應(yīng)用通過應(yīng)用層功能來實現(xiàn)。系統(tǒng)的功能劃分如圖2所示。 　　圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 　　3.3.1、 數(shù)據(jù)獲取模塊 　　數(shù)據(jù)獲取功能模塊主要用來獲取實驗室內(nèi)部的環(huán)境信息和實驗設(shè)備的狀態(tài)信息,對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集和對實驗設(shè)備的信息錄入,最后將獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)较到y(tǒng)集成中控。數(shù)據(jù)采集過程如圖3所示。 　　圖3 數(shù)據(jù)采集部分示意圖 　　室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集主要應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技

17、術(shù)和傳感器技術(shù),實時監(jiān)測實驗室的溫度、濕度、光照、煙霧等數(shù)據(jù)信息。傳感器作為元器件,必須同微控制器結(jié)合使用,才能對環(huán)境數(shù)據(jù)信息[13]進行檢測。系統(tǒng)采用ARM Cortex-M3作為微控制器,無線傳輸采用ZigBee模塊,結(jié)合傳感器完成對實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的感知。微控制器的硬件部分由電源、信號放大電路、晶振和無線傳輸模塊轉(zhuǎn)接串口構(gòu)成。傳感器采集到的信號經(jīng)放大器作用,傳輸?shù)轿⒖刂破?再經(jīng)過微控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,最后通過ZigBee發(fā)送到服務(wù)器,供應(yīng)用程序使用和處理。 　　實驗設(shè)備信息編碼按照一定的規(guī)則進行,對設(shè)備所屬樓號、實驗室號、設(shè)備類型和設(shè)備序號按順序進行組合,形成統(tǒng)一格式的條形編

18、碼。條形碼編碼具體規(guī)則見表2,借助條形碼生成工具可生成打印條碼。通過使用USB掃描槍掃描條形碼或者手動輸入編碼信息來錄入或查看實驗設(shè)備的信息。 　　表2 條形碼編碼規(guī)則 　　3.3.2 集成中控部分 　　集成中控部分在整個系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸?shù)淖饔?完成數(shù)據(jù)信息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā),是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)層功能的具體體現(xiàn)。感知器接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)之后,使用標準的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)中控端。考慮到系統(tǒng)以后的升級與功能擴充,在集成中控的硬件結(jié)構(gòu)中預(yù)留了足夠的接口,供系統(tǒng)未來擴展使用。存儲單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。 　　圖4 中轉(zhuǎn)存儲單元結(jié)構(gòu)圖

19、 　　無線監(jiān)測模塊使用ZigBee協(xié)議標準將環(huán)境感知信息傳遞到中控單元,ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站,通信距離從標準的75 m到幾百米、幾千米,并且支持無限擴展[14]。它基于IEEE 802.15.4標準,具有高可靠、高性價比、低功耗等特點。 　　集成中控系統(tǒng)的設(shè)計需要構(gòu)建嵌入式系統(tǒng),包括嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分。嵌入式硬件部分選用集成開發(fā)板,主要包括核心處理器以及其外圍電路的設(shè)計。本系統(tǒng)選擇ARMV5TE 體系結(jié)構(gòu)的ARM9作為系統(tǒng)的核心處理器。嵌入式軟件設(shè)計中需要構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng),基于該

20、操作系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序,主要是基于Linux系統(tǒng)并搭建交叉編譯環(huán)境arm-linux-gcc。在該環(huán)境下對輸入的環(huán)境信息進行處理,輸出數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。 　　3.3.3、 存儲應(yīng)用部分 　　存儲應(yīng)用部分要完成兩方面的工作,即:解析中控單元傳輸過來的數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫;錄入實驗課程所需的各類教學(xué)資源并供訪問者訪問。系統(tǒng)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲與管理?？紤]到實際應(yīng)用,在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時,要為各監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定閾值,當(dāng)某一數(shù)值超過閾值,就要產(chǎn)生報警信息,給管理員提示。同時,還要設(shè)定用戶分類信息,分別為不同用戶設(shè)置不同操作訪問權(quán)限。

21、 　　應(yīng)用部分實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互,按照不同的應(yīng)用需要,將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和實驗資源分別呈現(xiàn)給不同用戶。應(yīng)用功能包括手機端應(yīng)用和PC端應(yīng)用,可供用戶通過終端實時查看信息。應(yīng)用部分主要實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、實驗教學(xué)等功能。如圖5所示為系統(tǒng)應(yīng)用部分的功能框圖。 　　圖5 應(yīng)用單元結(jié)構(gòu)圖 　　Web端應(yīng)用程序和手機端應(yīng)用程序均包含環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、學(xué)習(xí)資源、在線課堂四個功能應(yīng)用。環(huán)境監(jiān)測主要是向管理員顯示監(jiān)測到的實驗室環(huán)境信息;設(shè)備管理可方便管理員和教師查看實驗設(shè)備信息;學(xué)習(xí)資源向老師和學(xué)生提供實驗教學(xué)文檔和視頻等教學(xué)資源;在線課堂供老師和學(xué)生交流探討實驗相關(guān)技術(shù)、心得體會以及提問。 　　4 、結(jié) 語 　　應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計實驗室管理系統(tǒng),使得實驗室的管理能夠?qū)h(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理、實驗教學(xué)結(jié)合于一體。管理員、教師和學(xué)生都可以通過無線和有線方式隨時隨地地查看實驗室情況和學(xué)習(xí)資源,極大地方便了管理員對實驗室的管控,也增添了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和靈活性。經(jīng)測試,系統(tǒng)傳輸速度快、準確度高,能實時響應(yīng)用戶的各種需求,極大地提高了實驗室管理的效率,增強了學(xué)生實踐能力和思維能力。