引言

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大學(xué)信息化實驗平臺能夠有效地解決高校實驗教學(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)科研活動中，儀器設(shè)備的使用是必不可少的實驗手段，但是研究者在利用儀器快速獲得實驗結(jié)果的同時,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，往往一項實驗面臨著無設(shè)備可用的境況。一些研究者為滿足實驗條件不得不將實驗環(huán)境搭建在擁有設(shè)備的場所，在大學(xué)中經(jīng)常會看到不同大學(xué)的研究人員為實驗設(shè)備而奔走在各大學(xué)的實驗室間。同樣，有些大學(xué)實驗室擁有先進的儀器設(shè)備，但是利用設(shè)備進行實驗的本校科研任務(wù)不多，而其他學(xué)校不了解設(shè)備當(dāng)前使用狀況，設(shè)備長時間閑置，造成了資源的浪費。

針對“一方面設(shè)備使用緊張,而另一方設(shè)備閑置”的情況,可以看到高校在實驗科研教學(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)實驗設(shè)備平臺來解決這一矛盾，并提出建設(shè)此類實驗平臺所需的技術(shù)關(guān)鍵點和平臺模型。同時，闡述平臺的工作流程是如何提高設(shè)備使用效率的。

1信息化實驗平臺的工作構(gòu)成

信息化實驗平臺是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上的網(wǎng)絡(luò)實驗室，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四個基本部分組成。該實驗平臺通過授權(quán)允許用戶通過遠(yuǎn)程對設(shè)備實現(xiàn)軟件控制和操作，并且獲得即時實驗結(jié)果。

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

實驗平臺基礎(chǔ)為硬件虛擬化層，其主要采用VMwarevShpere作為虛擬化層主要實現(xiàn)軟件架構(gòu)，將實驗操作平臺的計算機資源進行統(tǒng)一的管理。采用這種方法能實現(xiàn)的功能如下:

能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的計算機操作?？梢韵袷褂帽镜赜嬎銠C一樣控制遠(yuǎn)程連接設(shè)備的計算機，且支持多用戶不同權(quán)限分配。

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

實現(xiàn)操作系統(tǒng)備份。在虛擬系統(tǒng)上安裝的操作系統(tǒng),可以進行整個系統(tǒng)遠(yuǎn)程備份和遠(yuǎn)程安裝。例如，將遠(yuǎn)程計算機安裝好的XP系統(tǒng)進行備份，然后傳送到本地計算機；還可以通過本地安裝遠(yuǎn)程計算機的XP系統(tǒng)。

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

可以通過android手機來操作設(shè)備。

在虛擬層之上需要建立數(shù)據(jù)傳輸層，這里包括對實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制。大部分現(xiàn)代儀器已經(jīng)實現(xiàn)了計算機輔助操控和數(shù)據(jù)保存功能，因此實驗平臺選擇具有計算機連接功能的儀器來實現(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上劃分的一個虛擬系統(tǒng)獨立工作，用戶可以通過VMware客戶端以遠(yuǎn)程方式進入虛擬系統(tǒng)來操作軟件進行實驗。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)院的實驗平臺中，采用了一臺具有IP功能的激光打印機作為實驗結(jié)果打印輸出的一個途徑。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)控數(shù)據(jù)通過Web方式時時在瀏覽器中發(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)時時發(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

信息化實驗平臺除了在功能上實現(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)對實驗平臺遠(yuǎn)程用戶的實驗申請和權(quán)限控制，以及實驗設(shè)備本地的人工操作。實現(xiàn)用戶管理將通過OA類網(wǎng)站，允許實驗申請者在網(wǎng)站中申請實驗設(shè)備,通過管理員獲得遠(yuǎn)程實驗設(shè)備控制許可。而在實驗過程中,一些樣品投放和初期實驗環(huán)境搭建工作則需要本地工作人員配合。

2信息化實驗平臺工作流程

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實驗儀器變?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)備完成實驗。若以通過測試實驗平臺為例，那么，圖4所示則是其測試實驗平臺的拓?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)器和存儲設(shè)備)作為實驗平臺的核心，負(fù)責(zé)主要的計算和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，在其中運行VMware虛擬化系統(tǒng)將服務(wù)器硬件資源進行分配，通過虛擬系統(tǒng)與檢測設(shè)備進行對應(yīng)鏈接傳輸數(shù)據(jù),例如，與激光粒度儀進行鏈接可使用USB線，與BOD測量儀進行鏈接可使用串口數(shù)據(jù)線。通過局域網(wǎng)絡(luò)與實驗平臺維護計算機相連，管理員可以通過維護計算機分配虛擬系統(tǒng)使用權(quán)限給遠(yuǎn)程Internet用戶，而輸出的實驗結(jié)果可以通過IP打印機和服務(wù)器發(fā)布Web服務(wù)來實現(xiàn)。

BOD測量儀IP打印機

圖4  測試實驗平臺拓?fù)鋱D

在整個實驗平臺工作流程中，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)方式連接計算機的儀器設(shè)備具有了網(wǎng)絡(luò)功能，成為了物聯(lián)網(wǎng)中的一個傳感器。用戶和管理員實際上是通過對虛擬操作系統(tǒng)的使用來獲得實驗儀器提供的功能。因為獲得了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的能力,實驗設(shè)備可以通過虛擬化平臺將實驗結(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驗數(shù)據(jù)，還有IP打印機可以直接打印實驗報告。

實驗平臺在工作過程中需要管理員進行現(xiàn)場的維護操作,一方面通過維護計算機監(jiān)視虛擬服務(wù)器中的設(shè)備運行狀況,另一方面由于某些實驗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驗人員現(xiàn)場進行操作。

3平臺工作效率數(shù)據(jù)與結(jié)果

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

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

平臺工作效率=總工作時間-總時間

總工作時間=使用人次X一次樣品檢測時間X檢測次數(shù)傳統(tǒng)方式平臺工作效率=(10X40X5)+(24X60X5)=27.8%物聯(lián)網(wǎng)方式平臺工作效率=(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%時間處于工作狀態(tài)，而傳統(tǒng)方式只有27.8%時間處于工作狀態(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，使得實驗自動化程度提高，減少了人為造成的時間浪費。

4結(jié)語

遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)的管理是物聯(lián)網(wǎng)平臺的效率基礎(chǔ)，而采用硬件虛擬化技術(shù)則是物聯(lián)網(wǎng)平臺穩(wěn)定性的保證。通過實際使用可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺可以合理地安排實驗人員的設(shè)備使用時間，簡化的操作也可使實驗人員在自己的辦公室內(nèi)完成科研任務(wù)。同時，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗平臺也能夠降低實驗成本,在靈活性上比傳統(tǒng)的實驗方法提高了很多，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驗設(shè)備，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，未來的高?；蚩蒲性核膶嶒炇医ㄔO(shè)也必將采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為設(shè)備使用基礎(chǔ)。

20211021_6171641646053__基于物聯(lián)網(wǎng)的大學(xué)信息化教學(xué)輔助實驗平臺應(yīng)用