基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實驗室系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

引言

采用虛擬化操作系統(tǒng)能夠?qū)h(yuǎn)程計算機控制的儀器實現(xiàn) 現(xiàn)場操作，通過基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電子技術(shù)的相互結(jié)合，提高了 實現(xiàn)過程的自動化程度，進(jìn)而大大減少了人員及儀器調(diào)度形成 的時間浪費，有效的提高了實驗過程中時間的利用效率。儀器 設(shè)備要接入信息化實驗系統(tǒng)平臺就需要具備計算機可控或數(shù) 據(jù)可采集的功能。通過將儀器的計算機輔助功能加入到實驗 平臺中，信息化實驗平臺對儀器進(jìn)行操控和數(shù)據(jù)采集，完成計 算機輔助功能的資源有效合理的進(jìn)行分配和調(diào)整。實驗平臺 以硬件虛擬化層作為其基礎(chǔ)，虛擬化層的軟件架構(gòu)需要實現(xiàn) 對實驗操作平臺的計算機資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，本實驗平臺 的虛擬化層主要采用VMware vShpere構(gòu)建。實驗平臺還有需 要完成對實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和控制，所以要在虛擬化層上 建立數(shù)據(jù)傳輸層。接入實驗平臺的儀器設(shè)備需要具備連接計 算機的功能，而目前多數(shù)的實驗設(shè)備已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)保存和 計算機輔助操控的功能。

相比傳統(tǒng)的實驗方式，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程實驗平臺 能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一些 稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠(yuǎn)程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通過 給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，為科研實驗水平的整體提升 創(chuàng)造了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。由此推斷，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為未來 的高?；蚩蒲性核鶎嶒炇医ㄔO(shè)的必然基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)設(shè)計原理

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過虛擬化技術(shù)整合多平臺傳 感器系統(tǒng)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送。系統(tǒng)主要包括信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存和傳送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用平臺系統(tǒng)。圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，信息采集系統(tǒng)主要是指具有網(wǎng)絡(luò)功能的檢測 傳感器，例如：BOD、葉綠素等在線檢測設(shè)備。這些設(shè)備可 以通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程計算機。因此，根據(jù)這個特點, 在系統(tǒng)中設(shè)計了一個數(shù)據(jù)緩存和傳送系統(tǒng)，這個系統(tǒng)和采集 系統(tǒng)一起構(gòu)成現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2硬件系統(tǒng)關(guān)系圖

作為信息采集現(xiàn)場系統(tǒng)統(tǒng)一的供電系統(tǒng)設(shè)計與統(tǒng)一的聯(lián) 動控制裝置，在管理上能簡化管理流程與設(shè)備運行流程，同 時與局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成一個低層的信息采集傳感器硬 件運行環(huán)境，最大限度提高各個傳感器的工作效率與穩(wěn)定性。

在這個環(huán)境里實驗?zāi)繕?biāo)采集將統(tǒng)一被現(xiàn)場設(shè)備管理系統(tǒng) 操作，按照時序啟動傳感器設(shè)備進(jìn)行水樣分析，每一個傳感 器獨立運行于各自系統(tǒng)進(jìn)程內(nèi)將采集上的數(shù)據(jù)通過有線局域 網(wǎng)絡(luò)保存到數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器中，由數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器通過無線 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將采集數(shù)據(jù)打包后定時傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器采用服務(wù)器端虛擬化技術(shù)針對不同的數(shù) 據(jù)采集端(RFID)虛擬對應(yīng)操作系統(tǒng)，允許對應(yīng)的應(yīng)用程序 在系統(tǒng)中運行，從而在一臺緩存服務(wù)器中獲得多個虛擬應(yīng)用方 便終端管理和遠(yuǎn)程維護(hù)，同時節(jié)省大量電力資源。

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集端(RFID) 作為檢測設(shè)備，數(shù)據(jù)處理中心集中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將現(xiàn)有 的公用無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)物理傳輸基礎(chǔ)，同時以邏輯網(wǎng)絡(luò)加密 等手段來保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全。實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 建立在硬件虛擬化平臺的基礎(chǔ)之上，能夠遠(yuǎn)程完成對終端實 驗設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作、實驗控制及維護(hù)。

圖3所示是本系統(tǒng)平臺的設(shè)計原理。系統(tǒng)的組成主要分 為三層：物理傳輸層、邏輯網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層。

在圖3中，檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)使用的是目前已經(jīng) 普遍試用的并且性能穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)。采集端采集到的數(shù)據(jù) 通過物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中央數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并 獲得結(jié)果。數(shù)據(jù)處理中心的主要數(shù)據(jù)交換設(shè)備主要采用傳統(tǒng) 的有線方式進(jìn)行鏈接，數(shù)據(jù)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

在系統(tǒng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，檢測采集設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之 間采用客戶端/服務(wù)器端的系統(tǒng)架構(gòu)建立起通信關(guān)系。數(shù)據(jù)中 心為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，系統(tǒng)通過VPMN(虛 擬移動專網(wǎng))在Internet或公用無線網(wǎng)絡(luò)中建立通道。為了將 不同功能的運算集群有效地進(jìn)行邏輯網(wǎng)絡(luò)劃分，數(shù)據(jù)中心采 用屬性與總線型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計整合HPC計算集群與分布 式網(wǎng)絡(luò)存儲，同時系統(tǒng)的擴容與容錯能力又能以總線型的方式 實現(xiàn)，有效利用了分布式系統(tǒng)的特點。

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層設(shè)計中的應(yīng)用實現(xiàn)的基本技術(shù)是部署虛擬 化技術(shù)(VMware vShpere), Windows 平臺或 FreeBSD 平臺 將會部署于在基于虛擬系統(tǒng)層IAAS之上。而Windows HPC 與Hadoop軟件將根據(jù)各自不同的特點部署到不同的操作系統(tǒng) 平臺上去。例如：API接口系統(tǒng)，根據(jù)其設(shè)計程序XML+Java 在系統(tǒng)平臺上的工作效率將其部署到Linux系統(tǒng)上。同時可以 利用Linux的開源特性，將不同的被監(jiān)控信息平臺數(shù)據(jù)庫據(jù)其 特點部署在不同版本的Linux系統(tǒng)上，并可以實現(xiàn).net平臺上 的信息管理平臺與被檢測平臺數(shù)據(jù)庫的對接。

通過數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)通過中間件服務(wù)器管理 系統(tǒng)(API)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行儲存，本系統(tǒng)選擇 Excel格式保存數(shù)據(jù)，主要針對采集數(shù)據(jù)量大且通過Windows HPC并行計算集群對數(shù)據(jù)加以快速計算處理。

設(shè)計思想源于企業(yè)ERP系統(tǒng)的URP聯(lián)合資源計劃Union Resource Planning)通過建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和信息平臺使 得各個應(yīng)用系統(tǒng)信息服務(wù)以一種松散耦合的方式集成在一起。 各應(yīng)用系統(tǒng)擁有自己的獨立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，各應(yīng)用系統(tǒng)為 客戶端用戶提供服務(wù)的方式是通過接口程序與信息平臺進(jìn)行 對接，對于每個用戶只需要試用一個唯一的ID號碼登錄URP 信息平臺，就能夠調(diào)用對應(yīng)部署在其它應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的功 能。而各個應(yīng)用系統(tǒng)只是通過URP登錄平臺集成給客戶端用 戶，它們從物理到邏輯上彼此可能是相對孤立的，這種方式具 備良好的靈活性。

圖4所示是URP平臺管理的機制流程，用戶首先通過唯 一的ID登錄URP平臺，向平臺申請所需的功能服務(wù)。同時 URP平臺的監(jiān)控中心響應(yīng)登錄平臺的用戶，并開始記錄該ID 在平臺能的操作(即訪問路徑)，然后對平臺的訪問狀況進(jìn)行 即時統(tǒng)計。系統(tǒng)管理員可以依據(jù)軟件監(jiān)控與流量監(jiān)控的結(jié)果結(jié) 合實際情況進(jìn)行調(diào)配工作，以滿足系統(tǒng)的硬件需求。

應(yīng)用服務(wù)程序可通過URP平臺針對用戶需求調(diào)用不同數(shù) 據(jù)，然后將處理結(jié)果提供給終端用戶。海洋環(huán)境評價軟件將 根據(jù)國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相對應(yīng)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行 分析，獲得結(jié)果后可發(fā)布實驗結(jié)果。

數(shù)據(jù)庫采用分布式數(shù)據(jù)庫設(shè)計，針對不同終端采集的數(shù) 據(jù)以終端種類為單位進(jìn)行庫設(shè)計，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式并將歷 史數(shù)據(jù)保存到分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。而不同終端采集上來的 數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)格式的不同，因此需要在中間件系統(tǒng)中對數(shù)據(jù) 進(jìn)行格式處理。不同格式的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器上傳到中間 件系統(tǒng)后，所有數(shù)據(jù)格式將被統(tǒng)一保存為Excel格式數(shù)據(jù)。

3結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實驗室系統(tǒng)能夠更有效的提高時間和 設(shè)備的利用率，通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)，使實驗過程 中的自動化程度大大提高，并且有效降低了資源和時間浪費。

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實現(xiàn)平臺的效率基礎(chǔ)是遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)化管 理，硬件虛擬化技術(shù)的試用從平臺穩(wěn)定性的角度上給予了保障。 在平臺應(yīng)用實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)該平臺可以實現(xiàn)對實驗人員 和設(shè)備工作實踐的合理安排，遠(yuǎn)程功能完全可以實現(xiàn)工作人員 在辦公室即可完成大量科研實驗任務(wù)。該平臺有效降低了實驗 成本，相比傳統(tǒng)的實驗方法，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程實驗平 臺能夠有效地降低實驗成本，其靈活性有了很大的提高。一 些稀有和昂貴的實驗設(shè)備能夠借由遠(yuǎn)程實驗平臺通過網(wǎng)絡(luò)通 過給來自不同系統(tǒng)的科研人員使用，從而有利于我國科研水平 的整體提高。由此看來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來高校和科研 院所的實驗室建設(shè)必須具備的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

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