基于物聯(lián)網(wǎng)的大學(xué)信息化教學(xué)輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

引言

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大學(xué)信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效地解決高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研過程中對大型儀器的使用需求問題，充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢提高設(shè)備的使用效率，更好地為廣大師生服務(wù)。在日常的大學(xué)科研活動(dòng)中，儀器設(shè)備的使用是必不可少的實(shí)驗(yàn)手段，但是研究者在利用儀器快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí),也面臨著儀器使用的一些困境。昂貴的儀器設(shè)備要么數(shù)量少、要么體積龐大、要么放置分散，不能夠滿足廣大研究人員的需求，往往一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)面臨著無設(shè)備可用的境況。一些研究者為滿足實(shí)驗(yàn)條件不得不將實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建在擁有設(shè)備的場所，在大學(xué)中經(jīng)常會(huì)看到不同大學(xué)的研究人員為實(shí)驗(yàn)設(shè)備而奔走在各大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室間。同樣，有些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的儀器設(shè)備，但是利用設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的本?？蒲腥蝿?wù)不多，而其他學(xué)校不了解設(shè)備當(dāng)前使用狀況，設(shè)備長時(shí)間閑置，造成了資源的浪費(fèi)。

針對“一方面設(shè)備使用緊張,而另一方設(shè)備閑置”的情況,可以看到高校在實(shí)驗(yàn)科研教學(xué)中急需一種解決方法來滿足廣大師生對設(shè)備的使用需求。本文通過在天津城市建設(shè)學(xué)院搭建的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)來解決這一矛盾，并提出建設(shè)此類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)和平臺(tái)模型。同時(shí)，闡述平臺(tái)的工作流程是如何提高設(shè)備使用效率的。

1信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作構(gòu)成

信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，其由硬件虛擬化層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)采集中間件和信息管理平臺(tái)四個(gè)基本部分組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過授權(quán)允許用戶通過遠(yuǎn)程對設(shè)備實(shí)現(xiàn)軟件控制和操作，并且獲得即時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求所接入平臺(tái)的儀器設(shè)備必須具有計(jì)算機(jī)可控制或數(shù)據(jù)可采集的功能。將儀器的計(jì)算機(jī)輔助功能加入到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成對儀器的操控和數(shù)據(jù)采集，用來調(diào)整計(jì)算機(jī)輔助功能的資源分配，更合理地利用設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)為硬件虛擬化層，其主要采用VMwarevShpere作為虛擬化層主要實(shí)現(xiàn)軟件架構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理。采用這種方法能實(shí)現(xiàn)的功能如下:

能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)操作。可以像使用本地計(jì)算機(jī)一樣控制遠(yuǎn)程連接設(shè)備的計(jì)算機(jī)，且支持多用戶不同權(quán)限分配。

能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行軟件安裝。使用虛擬操作系統(tǒng)可以將本地的計(jì)算機(jī)光驅(qū)、U盤等硬件設(shè)備映射為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的本地設(shè)備。例如，在本地計(jì)算機(jī)的光驅(qū)中放入光盤，映射到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)里生成一個(gè)新光驅(qū)，然后將光盤中的程序安裝到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)中。

實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)備份。在虛擬系統(tǒng)上安裝的操作系統(tǒng),可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程備份和遠(yuǎn)程安裝。例如，將遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)安裝好的XP系統(tǒng)進(jìn)行備份，然后傳送到本地計(jì)算機(jī)；還可以通過本地安裝遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的XP系統(tǒng)。

能夠依據(jù)資源需求調(diào)整輔助計(jì)算機(jī)資源，允許擴(kuò)大控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、CPU等硬件資源滿足用戶需要。

可以通過android手機(jī)來操作設(shè)備。

在虛擬層之上需要建立數(shù)據(jù)傳輸層，這里包括對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制。大部分現(xiàn)代儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助操控和數(shù)據(jù)保存功能，因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇具有計(jì)算機(jī)連接功能的儀器來實(shí)現(xiàn)功能。例如，選擇丹東百特激光粒度儀，通過USB數(shù)據(jù)線與操作系統(tǒng)建立通信，通過軟件來控制儀器的顆粒物測量工作。操作系統(tǒng)只是作為VMwarevSphere上劃分的一個(gè)虛擬系統(tǒng)獨(dú)立工作，用戶可以通過VMware客戶端以遠(yuǎn)程方式進(jìn)入虛擬系統(tǒng)來操作軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1所示是VMware客戶端儀器的控制界面。

圖1  VMware客戶端儀器控制界面

由于虛擬操作系統(tǒng)可以建立IP地址，所以這些虛擬系統(tǒng)可以像普通系統(tǒng)一樣具有上網(wǎng)功能，而網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以選擇內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)。在天津城市建設(shè)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，采用了一臺(tái)具有IP功能的激光打印機(jī)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果打印輸出的一個(gè)途徑。除了打印輸出外，系統(tǒng)還可以通過數(shù)據(jù)采集中間件將儀器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過Web方式時(shí)時(shí)在瀏覽器中發(fā)布。例如，BOD含氧量監(jiān)測設(shè)備可以通過串口將監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)發(fā)送到虛擬操作系統(tǒng)中，再通過制作的中間件軟件將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本格式,并通過Web服務(wù)器軟件發(fā)布。圖2所示是在虛擬系統(tǒng)中的串口數(shù)據(jù)中間件界面圖，圖3所示是在Web瀏覽器中的輸出結(jié)果。

圖3  Web瀏覽器中的輸出結(jié)果

信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了在功能上實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的控制外,還需要具有管理功能，主要負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程用戶的實(shí)驗(yàn)申請和權(quán)限控制，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備本地的人工操作。實(shí)現(xiàn)用戶管理將通過OA類網(wǎng)站，允許實(shí)驗(yàn)申請者在網(wǎng)站中申請實(shí)驗(yàn)設(shè)備,通過管理員獲得遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制許可。而在實(shí)驗(yàn)過程中,一些樣品投放和初期實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建工作則需要本地工作人員配合。

2信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)儀器變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)傳感器終端，用戶可在授權(quán)的方式下遠(yuǎn)程使用設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)。若以通過測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，那么，圖4所示則是其測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的拓?fù)鋱D。

在圖4中可以看到，一體化服務(wù)器(包括刀片服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心，負(fù)責(zé)主要的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，在其中運(yùn)行VMware虛擬化系統(tǒng)將服務(wù)器硬件資源進(jìn)行分配，通過虛擬系統(tǒng)與檢測設(shè)備進(jìn)行對應(yīng)鏈接傳輸數(shù)據(jù),例如，與激光粒度儀進(jìn)行鏈接可使用USB線，與BOD測量儀進(jìn)行鏈接可使用串口數(shù)據(jù)線。通過局域網(wǎng)絡(luò)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)維護(hù)計(jì)算機(jī)相連，管理員可以通過維護(hù)計(jì)算機(jī)分配虛擬系統(tǒng)使用權(quán)限給遠(yuǎn)程Internet用戶，而輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過IP打印機(jī)和服務(wù)器發(fā)布Web服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。

BOD測量儀IP打印機(jī)

圖4  測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)鋱D

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程中，硬件虛擬化是軟件系統(tǒng)核心。通過將硬件設(shè)備資源的合理分配，使得傳統(tǒng)方式連接計(jì)算機(jī)的儀器設(shè)備具有了網(wǎng)絡(luò)功能，成為了物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)傳感器。用戶和管理員實(shí)際上是通過對虛擬操作系統(tǒng)的使用來獲得實(shí)驗(yàn)儀器提供的功能。因?yàn)楂@得了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的能力,實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以通過虛擬化平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式發(fā)送給用戶。例如，以TCP/IP協(xié)議方式將結(jié)果發(fā)布到Web服務(wù)器上，或者以FTP的方式允許用戶下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還有IP打印機(jī)可以直接打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在工作過程中需要管理員進(jìn)行現(xiàn)場的維護(hù)操作,一方面通過維護(hù)計(jì)算機(jī)監(jiān)視虛擬服務(wù)器中的設(shè)備運(yùn)行狀況,另一方面由于某些實(shí)驗(yàn)過程需要人為添加檢測材料，因此需要人員手工參與。例如，在使用激光粒度儀的過程中，需要往檢測池中添料和換水的工作就需要實(shí)驗(yàn)人員現(xiàn)場進(jìn)行操作。

3平臺(tái)工作效率數(shù)據(jù)與結(jié)果

采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要解決的問題就是提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率，通過在天津城市建設(shè)學(xué)院搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以簡單地對儀器使用進(jìn)行一個(gè)對比。除去申請手續(xù)耗費(fèi)的時(shí)間和人為的因素，只從設(shè)備單位時(shí)間使用次數(shù)的角度進(jìn)行分析，選取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的激光粒度儀與另一所大學(xué)的同樣設(shè)備進(jìn)行比照分析。

測試期為5天，使用激光粒度儀的兩種方式為傳統(tǒng)方式實(shí)驗(yàn)和物聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)使用人次分別為10人次和30人次，單次實(shí)驗(yàn)中對樣品的檢測次數(shù)都為5次。完成一次樣品檢測的時(shí)間分別為40min和30min。雖然兩種實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備相同，但是采用了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效率更高。具體分析如下：

平臺(tái)工作效率=總工作時(shí)間-總時(shí)間

總工作時(shí)間=使用人次X一次樣品檢測時(shí)間X檢測次數(shù)傳統(tǒng)方式平臺(tái)工作效率=(10X40X5)+(24X60X5)=27.8%物聯(lián)網(wǎng)方式平臺(tái)工作效率=(30X30X5)+(24X60X5)=62.5%從上面的分析可以看到：在測試期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)方式可以在62.5%時(shí)間處于工作狀態(tài)，而傳統(tǒng)方式只有27.8%時(shí)間處于工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)說明了物聯(lián)網(wǎng)方式能夠更有效地利用時(shí)間，這主要是取決于基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化程度提高，減少了人為造成的時(shí)間浪費(fèi)。

4結(jié)語

遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)的管理是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的效率基礎(chǔ)，而采用硬件虛擬化技術(shù)則是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)穩(wěn)定性的保證。通過實(shí)際使用可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以合理地安排實(shí)驗(yàn)人員的設(shè)備使用時(shí)間，簡化的操作也可使實(shí)驗(yàn)人員在自己的辦公室內(nèi)完成科研任務(wù)。同時(shí)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也能夠降低實(shí)驗(yàn)成本,在靈活性上比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法提高了很多，能夠允許來自不同系統(tǒng)的科研人員通過網(wǎng)絡(luò)來使用一些昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為科研實(shí)驗(yàn)水平的整體提升創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。由此推斷，未來的高?；蚩蒲性核膶?shí)驗(yàn)室建設(shè)也必將采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為設(shè)備使用基礎(chǔ)。

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