基于物联网的大学信息化教学辅助实验平台应用

引言

采用物联网技术的大学信息化实验平台能够有效地解决高校实验教学及科研过程中对大型仪器的使用需求问题，充分利用网络优势提高设备的使用效率，更好地为广大师生服务。在日常的大学科研活动中，仪器设备的使用是必不可少的实验手段，但是研究者在利用仪器快速获得实验结果的同时,也面临着仪器使用的一些困境。昂贵的仪器设备要么数量少、要么体积庞大、要么放置分散，不能够满足广大研究人员的需求，往往一项实验面临着无设备可用的境况。一些研究者为满足实验条件不得不将实验环境搭建在拥有设备的场所，在大学中经常会看到不同大学的研究人员为实验设备而奔走在各大学的实验室间。同样，有些大学实验室拥有先进的仪器设备，但是利用设备进行实验的本校科研任务不多，而其他学校不了解设备当前使用状况，设备长时间闲置，造成了资源的浪费。

针对“一方面设备使用紧张,而另一方设备闲置”的情况,可以看到高校在实验科研教学中急需一种解决方法来满足广大师生对设备的使用需求。本文通过在天津城市建设学院搭建的物联网实验设备平台来解决这一矛盾，并提出建设此类实验平台所需的技术关键点和平台模型。同时，阐述平台的工作流程是如何提高设备使用效率的。

1信息化实验平台的工作构成

信息化实验平台是建立在物联网技术基础之上的网络实验室，其由硬件虚拟化层、数据传输层、数据采集中间件和信息管理平台四个基本部分组成。该实验平台通过授权允许用户通过远程对设备实现软件控制和操作，并且获得即时实验结果。

信息化实验平台要求所接入平台的仪器设备必须具有计算机可控制或数据可采集的功能。将仪器的计算机辅助功能加入到实验平台中，由实验平台完成对仪器的操控和数据采集，用来调整计算机辅助功能的资源分配，更合理地利用设备完成实验。

实验平台基础为硬件虚拟化层，其主要采用VMwarevShpere作为虚拟化层主要实现软件架构，将实验操作平台的计算机资源进行统一的管理。采用这种方法能实现的功能如下:

能够实现远程的计算机操作。可以像使用本地计算机一样控制远程连接设备的计算机，且支持多用户不同权限分配。

能够远程进行软件安装。使用虚拟操作系统可以将本地的计算机光驱、U盘等硬件设备映射为远程计算机的本地设备。例如，在本地计算机的光驱中放入光盘，映射到远程计算机中，在远程计算机里生成一个新光驱，然后将光盘中的程序安装到远程的计算机中。

实现操作系统备份。在虚拟系统上安装的操作系统,可以进行整个系统远程备份和远程安装。例如，将远程计算机安装好的XP系统进行备份，然后传送到本地计算机；还可以通过本地安装远程计算机的XP系统。

能够依据资源需求调整辅助计算机资源，允许扩大控制计算机的内存、CPU等硬件资源满足用户需要。

可以通过android手机来操作设备。

在虚拟层之上需要建立数据传输层，这里包括对实验设备的数据传输与控制。大部分现代仪器已经实现了计算机辅助操控和数据保存功能，因此实验平台选择具有计算机连接功能的仪器来实现功能。例如，选择丹东百特激光粒度仪，通过USB数据线与操作系统建立通信，通过软件来控制仪器的颗粒物测量工作。操作系统只是作为VMwarevSphere上划分的一个虚拟系统独立工作，用户可以通过VMware客户端以远程方式进入虚拟系统来操作软件进行实验。图1所示是VMware客户端仪器的控制界面。

图1  VMware客户端仪器控制界面

由于虚拟操作系统可以建立IP地址，所以这些虚拟系统可以像普通系统一样具有上网功能，而网络环境可以选择内网和外网。在天津城市建设学院的实验平台中，采用了一台具有IP功能的激光打印机作为实验结果打印输出的一个途径。除了打印输出外，系统还可以通过数据采集中间件将仪器监控数据通过Web方式时时在浏览器中发布。例如，BOD含氧量监测设备可以通过串口将监测数据时时发送到虚拟操作系统中，再通过制作的中间件软件将这些数据转换成文本格式,并通过Web服务器软件发布。图2所示是在虚拟系统中的串口数据中间件界面图，图3所示是在Web浏览器中的输出结果。

图3  Web浏览器中的输出结果

信息化实验平台除了在功能上实现对仪器设备的控制外,还需要具有管理功能，主要负责对实验平台远程用户的实验申请和权限控制，以及实验设备本地的人工操作。实现用户管理将通过OA类网站，允许实验申请者在网站中申请实验设备,通过管理员获得远程实验设备控制许可。而在实验过程中,一些样品投放和初期实验环境搭建工作则需要本地工作人员配合。

2信息化实验平台工作流程

通过物联网技术将实验仪器变为网络传感器终端，用户可在授权的方式下远程使用设备完成实验。若以通过测试实验平台为例，那么，图4所示则是其测试实验平台的拓扑图。

在图4中可以看到，一体化服务器(包括刀片服务器和存储设备)作为实验平台的核心，负责主要的计算和数据存储任务，在其中运行VMware虚拟化系统将服务器硬件资源进行分配，通过虚拟系统与检测设备进行对应链接传输数据,例如，与激光粒度仪进行链接可使用USB线，与BOD测量仪进行链接可使用串口数据线。通过局域网络与实验平台维护计算机相连，管理员可以通过维护计算机分配虚拟系统使用权限给远程Internet用户，而输出的实验结果可以通过IP打印机和服务器发布Web服务来实现。

BOD测量仪IP打印机

图4  测试实验平台拓扑图

在整个实验平台工作流程中，硬件虚拟化是软件系统核心。通过将硬件设备资源的合理分配，使得传统方式连接计算机的仪器设备具有了网络功能，成为了物联网中的一个传感器。用户和管理员实际上是通过对虚拟操作系统的使用来获得实验仪器提供的功能。因为获得了网络传输数据的能力,实验设备可以通过虚拟化平台将实验结果以网络协议的方式发送给用户。例如，以TCP/IP协议方式将结果发布到Web服务器上，或者以FTP的方式允许用户下载实验数据，还有IP打印机可以直接打印实验报告。

实验平台在工作过程中需要管理员进行现场的维护操作,一方面通过维护计算机监视虚拟服务器中的设备运行状况,另一方面由于某些实验过程需要人为添加检测材料，因此需要人员手工参与。例如，在使用激光粒度仪的过程中，需要往检测池中添料和换水的工作就需要实验人员现场进行操作。

3平台工作效率数据与结果

采用基于物联网技术的实验平台主要解决的问题就是提高实验设备的使用率，通过在天津城市建设学院搭建的实验平台可以简单地对仪器使用进行一个对比。除去申请手续耗费的时间和人为的因素，只从设备单位时间使用次数的角度进行分析，选取实验平台中的激光粒度仪与另一所大学的同样设备进行比照分析。

测试期为5天，使用激光粒度仪的两种方式为传统方式实验和物联网方式实验，统计使用人次分别为10人次和30人次，单次实验中对样品的检测次数都为5次。完成一次样品检测的时间分别为40min和30min。虽然两种实验所用设备相同，但是采用了物联网系统的实验平台效率更高。具体分析如下：

平台工作效率=总工作时间-总时间

总工作时间=使用人次X一次样品检测时间X检测次数传统方式平台工作效率=(10X40X5)+(24X60X5)=27.8%物联网方式平台工作效率=(30X30X5)+(24X60X5)=62.5%从上面的分析可以看到：在测试期内，物联网方式可以在62.5%时间处于工作状态，而传统方式只有27.8%时间处于工作状态。数据说明了物联网方式能够更有效地利用时间，这主要是取决于基于网络技术与电子技术的结合，使得实验自动化程度提高，减少了人为造成的时间浪费。

4结语

远程控制和系统的管理是物联网平台的效率基础，而采用硬件虚拟化技术则是物联网平台稳定性的保证。通过实际使用可以发现物联网平台可以合理地安排实验人员的设备使用时间，简化的操作也可使实验人员在自己的办公室内完成科研任务。同时，采用物联网技术的实验平台也能够降低实验成本,在灵活性上比传统的实验方法提高了很多，能够允许来自不同系统的科研人员通过网络来使用一些昂贵的实验设备，为科研实验水平的整体提升创造了坚实的物质基础。由此推断，未来的高校或科研院所的实验室建设也必将采用物联网技术作为设备使用基础。

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