基于物联网的远程实验室系统架构设计

引言

采用虚拟化操作系统能够对远程计算机控制的仪器实现 现场操作，通过基于网络技术与电子技术的相互结合，提高了 实现过程的自动化程度，进而大大减少了人员及仪器调度形成 的时间浪费，有效的提高了实验过程中时间的利用效率。仪器 设备要接入信息化实验系统平台就需要具备计算机可控或数 据可采集的功能。通过将仪器的计算机辅助功能加入到实验 平台中，信息化实验平台对仪器进行操控和数据采集，完成计 算机辅助功能的资源有效合理的进行分配和调整。实验平台 以硬件虚拟化层作为其基础，虚拟化层的软件架构需要实现 对实验操作平台的计算机资源进行统一的管理，本实验平台 的虚拟化层主要采用VMware vShpere构建。实验平台还有需 要完成对实验设备的数据传输和控制，所以要在虚拟化层上 建立数据传输层。接入实验平台的仪器设备需要具备连接计 算机的功能，而目前多数的实验设备已经具备了数据保存和 计算机辅助操控的功能。

相比传统的实验方式，采用物联网技术的远程实验平台 能够有效地降低实验成本，其灵活性有了很大的提高。一些 稀有和昂贵的实验设备能够借由远程实验平台通过网络通过 给来自不同系统的科研人员使用，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，物联网技术必将成为未来 的高校或科研院所实验室建设的必然基础。

1系统设计原理

该系统采用模块化设计，通过虚拟化技术整合多平台传 感器系统，并利用无线网络技术实现数据远程传送。系统主要包括信息采集系统、数据缓存和传送系统、数据库及存储系统和数据处理应用平台系统。图1所示是其系统结构图。

图1系统结构图

在图1中，信息采集系统主要是指具有网络功能的检测 传感器，例如：BOD、叶绿素等在线检测设备。这些设备可 以通过网络将数据发送到远程计算机。因此，根据这个特点, 在系统中设计了一个数据缓存和传送系统，这个系统和采集 系统一起构成现场环境监测系统设备。现场设备结构图如图2 所示。

图2硬件系统关系图

作为信息采集现场系统统一的供电系统设计与统一的联 动控制装置，在管理上能简化管理流程与设备运行流程，同 时与局域网数据传输系统构成一个低层的信息采集传感器硬 件运行环境，最大限度提高各个传感器的工作效率与稳定性。

在这个环境里实验目标采集将统一被现场设备管理系统 操作，按照时序启动传感器设备进行水样分析，每一个传感 器独立运行于各自系统进程内将采集上的数据通过有线局域 网络保存到数据缓存服务器中，由数据缓存服务器通过无线 网络设备将采集数据打包后定时传送到远程服务器端。

数据缓存服务器采用服务器端虚拟化技术针对不同的数 据采集端(RFID)虚拟对应操作系统，允许对应的应用程序 在系统中运行，从而在一台缓存服务器中获得多个虚拟应用方 便终端管理和远程维护，同时节省大量电力资源。

2系统关键技术实现

系统采用客户端/服务器端架构，数据采集端(RFID) 作为检测设备，数据处理中心集中对数据进行处理，将现有 的公用无线网络作为数据物理传输基础，同时以逻辑网络加密 等手段来保证数据传输过程中的安全。实验平台的网络系统 建立在硬件虚拟化平台的基础之上，能够远程完成对终端实 验设备的数据采集工作、实验控制及维护。

图3所示是本系统平台的设计原理。系统的组成主要分 为三层：物理传输层、逻辑网络层和网络应用层。

在图3中，检测系统的基础物理网络使用的是目前已经 普遍试用的并且性能稳定的无线网络。采集端采集到的数据 通过物理网络传输到远程中央数据处理中心进行数据处理并 获得结果。数据处理中心的主要数据交换设备主要采用传统 的有线方式进行链接，数据可以通过Internet网络进行传输。

在系统的逻辑网络设计中，检测采集设备与数据中心之 间采用客户端/服务器端的系统架构建立起通信关系。数据中 心为了保证数据在传输过程中的安全，系统通过VPMN(虚 拟移动专网)在Internet或公用无线网络中建立通道。为了将 不同功能的运算集群有效地进行逻辑网络划分，数据中心采 用属性与总线型混合网络拓扑设计整合HPC计算集群与分布 式网络存储，同时系统的扩容与容错能力又能以总线型的方式 实现，有效利用了分布式系统的特点。

在网络应用层设计中的应用实现的基本技术是部署虚拟 化技术(VMware vShpere), Windows 平台或 FreeBSD 平台 将会部署于在基于虚拟系统层IAAS之上。而Windows HPC 与Hadoop软件将根据各自不同的特点部署到不同的操作系统 平台上去。例如：API接口系统，根据其设计程序XML+Java 在系统平台上的工作效率将其部署到Linux系统上。同时可以 利用Linux的开源特性，将不同的被监控信息平台数据库据其 特点部署在不同版本的Linux系统上，并可以实现.net平台上 的信息管理平台与被检测平台数据库的对接。

通过数据缓存服务器上传的数据通过中间件服务器管理 系统(API)转化为统一的数据格式进行储存，本系统选择 Excel格式保存数据，主要针对采集数据量大且通过Windows HPC并行计算集群对数据加以快速计算处理。

设计思想源于企业ERP系统的URP联合资源计划Union Resource Planning)通过建立统一的接口标准和信息平台使 得各个应用系统信息服务以一种松散耦合的方式集成在一起。 各应用系统拥有自己的独立数据结构和数据库，各应用系统为 客户端用户提供服务的方式是通过接口程序与信息平台进行 对接，对于每个用户只需要试用一个唯一的ID号码登录URP 信息平台，就能够调用对应部署在其它应用系统中所需要的功 能。而各个应用系统只是通过URP登录平台集成给客户端用 户，它们从物理到逻辑上彼此可能是相对孤立的，这种方式具 备良好的灵活性。

图4所示是URP平台管理的机制流程，用户首先通过唯 一的ID登录URP平台，向平台申请所需的功能服务。同时 URP平台的监控中心响应登录平台的用户，并开始记录该ID 在平台能的操作(即访问路径)，然后对平台的访问状况进行 即时统计。系统管理员可以依据软件监控与流量监控的结果结 合实际情况进行调配工作，以满足系统的硬件需求。

应用服务程序可通过URP平台针对用户需求调用不同数 据，然后将处理结果提供给终端用户。海洋环境评价软件将 根据国家水质标准从系统数据库中调用相对应数据类型进行 分析，获得结果后可发布实验结果。

数据库采用分布式数据库设计，针对不同终端采集的数 据以终端种类为单位进行库设计，采用统一的数据格式并将历 史数据保存到分布式数据库系统中。而不同终端采集上来的 数据由于数据格式的不同，因此需要在中间件系统中对数据 进行格式处理。不同格式的数据由数据缓存服务器上传到中间 件系统后，所有数据格式将被统一保存为Excel格式数据。

3结语

基于物联网的远程实验室系统能够更有效的提高时间和 设备的利用率，通过结合网络技术和电子技术，使实验过程 中的自动化程度大大提高，并且有效降低了资源和时间浪费。

物联网远程实现平台的效率基础是远程控制和系统化管 理，硬件虚拟化技术的试用从平台稳定性的角度上给予了保障。 在平台应用实践过程中，我们发现该平台可以实现对实验人员 和设备工作实践的合理安排，远程功能完全可以实现工作人员 在办公室即可完成大量科研实验任务。该平台有效降低了实验 成本，相比传统的实验方法，采用物联网技术的远程实验平 台能够有效地降低实验成本，其灵活性有了很大的提高。一 些稀有和昂贵的实验设备能够借由远程实验平台通过网络通 过给来自不同系统的科研人员使用，从而有利于我国科研水平 的整体提高。由此看来，物联网技术将成为未来高校和科研 院所的实验室建设必须具备的基础技术之一。

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