張 凱，胡家瑛，宋春曉

（國家電網(wǎng)有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

隨著國家對職業(yè)教育重視程度的提高，實訓室建設方面的支持和投入明顯增加，各院校實訓室規(guī)模和數(shù)量進一步擴大。傳統(tǒng)的實訓室對數(shù)據(jù)的使用及管理方式存在以下幾個方面的問題：一是數(shù)據(jù)采集困難大，諸如環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測、學習狀態(tài)監(jiān)測、安防狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)來源于人工統(tǒng)計及紙質材料，耗時耗力，無法實現(xiàn)數(shù)字化、智慧化的有效收集；二是數(shù)據(jù)利用率及共享程度低，不能充分挖掘數(shù)據(jù)價值；三是數(shù)據(jù)存儲歸檔困難大，傳統(tǒng)的紙質材料存儲歸檔占用空間大，且查閱不方便、易丟失。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室全業(yè)務數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，依托有線、無線網(wǎng)絡傳輸技術，集成傳感器技術、云存儲技術以及數(shù)據(jù)分析技術等，實現(xiàn)實訓室相關信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理、分析和歸檔全流程，以解決傳統(tǒng)實訓室數(shù)據(jù)使用及管理中出現(xiàn)的問題，充分挖掘實訓室數(shù)據(jù)價值，使實訓室管理數(shù)字化、智慧化。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室架構及功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室架構由感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層構成［1］，其各層的功能結構如圖1所示。

1.1 感知層

根據(jù)智慧實訓室功能定位，感知層由環(huán)境狀態(tài)感知模塊、設備狀態(tài)感知模塊、安防狀態(tài)感知模塊、多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)等組成。其中，環(huán)境狀態(tài)感知模塊安裝溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、空氣質量傳感器等；設備狀態(tài)感知模塊安裝電壓電流傳感器、溫度傳感器等，并且每臺實訓設備儀器安裝RFID標簽，說明設備名稱、設備編號、設備參數(shù)和設備維護記錄等；安防狀態(tài)感知模塊集成視頻監(jiān)控、門禁、考勤、水浸監(jiān)測等功能；多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集及有線和無線傳輸。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室架構

1.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層可接入互聯(lián)網(wǎng)及校園局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，保證敏感數(shù)據(jù)不外泄。接入到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)主要是環(huán)境狀態(tài)感知數(shù)據(jù)，接入到校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)是設備狀態(tài)感知數(shù)據(jù)及安防狀態(tài)感知數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡層的主要功能：一是將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳遞給平臺層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；二是將應用層發(fā)出的控制命令傳遞給智能網(wǎng)關，實現(xiàn)對感知層設備的控制。

1.3 平臺層

平臺層是智慧實訓室全業(yè)務數(shù)據(jù)管理云平臺，其功能主要體現(xiàn)在4個方面：一是對網(wǎng)絡層傳輸?shù)脑瓟?shù)據(jù)進行存儲；二是實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的格式化；三是對數(shù)據(jù)進行分析和歸檔，挖掘數(shù)據(jù)價值，提供輔助決策，同時對生成的報告進行歸檔；四是存儲教學軟件、課件、試題，實現(xiàn)對教學資源的整合和共享。

1.4 應用層

應用層包括實訓室日常管理、實訓室設備管理、實訓室安全管理三大功能。實訓室日常管理基于對溫濕度、光照等數(shù)據(jù)的分析結果，實現(xiàn)對加濕器開關、空調開關、照明開關、窗簾開關的控制；實訓室設備管理基于對設備工作中電壓電流數(shù)據(jù)、設備參數(shù)數(shù)據(jù)、設備維護數(shù)據(jù)等的分析結果，實現(xiàn)對設備的出入管理、資產盤點、維修維護管理；實訓室安全管理基于對視頻監(jiān)控、門禁、考勤、煙感等數(shù)據(jù)的分析結果，實現(xiàn)門禁開關、安防報警、學員考勤等功能。

2 智慧實訓室全數(shù)據(jù)處理流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

在智慧實訓室的架構中，感知層部署多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集功能。多傳感器數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)由傳感器、信號調理模塊、信號處理模塊、時鐘模塊、外部存儲模塊和通信模塊組成［2］，實現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)的集中采集，其數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。信號調理模塊實現(xiàn)采集信號的放大、濾波功能；信號處理模塊實現(xiàn)對采集到的信號進行簡單處理及模數(shù)轉換（A/D轉換）；時鐘模塊提供時間數(shù)據(jù)，方便進行與時間有關的控制；外部存儲模塊的主要功能是提供采集數(shù)據(jù)的存儲空間；通信模塊提供RS485接口，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡層。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖3所示。

2.2.1 門禁及實訓設備數(shù)據(jù)傳輸

智慧實訓室的門禁及實訓設備數(shù)據(jù)傳輸使用RFID技術，RFID標簽上存儲門禁身份信息、實訓設備信息［3］，使用RFID讀寫器可通過無線實現(xiàn)與RFID標簽的非接觸式信息交互。門禁及實訓設備信息傳輸使用RFID技術主要有以下幾個原因：

1）速度快。RFID讀寫較一般的二維碼或條碼等方式速度更快，而且可以實現(xiàn)多個目標同時識別，還可以在移動中實現(xiàn)標簽的識別，適合對大批量學員同時進行身份鑒別。

圖3 智慧實訓室數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2）使用方便。因為RFID標簽的體積較小，可以嵌入產品內部或貼在產品表面，因此能滿足實訓室內幾乎所有設備的使用。

3）安全耐用。RFID標簽內使用專用芯片，其序列號是獨一無二的，很難復制，大大提高了實訓室的安全性；其出現(xiàn)硬件問題的概率極小，不易被污損。

RFID標簽的缺點是成本較高，但在2000年后成本下降，RFID提供無源RFID、有源RFID與半有源RFID［4］。在使用中可根據(jù)需求靈活選用，以便控制成本。

2.2.2 傳感器及RFID讀寫數(shù)據(jù)傳輸

智慧實訓室的傳感器及RFID讀寫數(shù)據(jù)傳輸使用ZigBee傳輸協(xié)議，實訓室傳感器使用該協(xié)議具有以下特點［5］：

1）低功耗。ZigBee有工作模式和非工作模式，在工作模式中，由于傳輸數(shù)據(jù)量不大，可以在很短時間內完成數(shù)據(jù)傳輸工作；在非工作模式中，ZigBee節(jié)點進入休眠。

2）低成本。通過對ZigBee協(xié)議的簡化，降低了對硬件的要求，且無協(xié)議專利費，成本大幅下降。

3）短時延。ZigBee響應速度較快，節(jié)點接入網(wǎng)絡僅需30 ms，由休眠狀態(tài)切換至工作狀態(tài)一般僅需要15 ms。

4）大容量。ZigBee可使用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。節(jié)點分為網(wǎng)絡節(jié)點、主節(jié)點、子節(jié)點。網(wǎng)絡節(jié)點是3種節(jié)點的最上層，用來管理主節(jié)點，最多可以形成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。主節(jié)點用來管理子節(jié)點，一個主節(jié)點最多可以管理254個子節(jié)點。ZigBee可完全滿足實訓室設備數(shù)量需求。

2.2.3 視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸

視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡帶寬及實時性要求較高，傳輸數(shù)據(jù)連續(xù)性高。TCP/IP協(xié)議在視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢體現(xiàn)在：

1）時效性強。TCP/IP傳輸協(xié)議以較快的速度把實時有效信息傳送給接收方，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的時效價值。

2）準確性高。TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機制，在處理好繁復的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)結構的同時，還可以保障傳輸數(shù)據(jù)的安全性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸。

3）實時性好。在TCP/IP協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸流程分為建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)3個步驟，其間的無縫銜接使數(shù)據(jù)傳輸更具有實時性。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

由于實訓室數(shù)量龐大、數(shù)據(jù)連續(xù)采集、增加或更換傳感設備等因素造成數(shù)據(jù)規(guī)模增長迅速、數(shù)據(jù)種類多變。依托智慧實訓室的全業(yè)務數(shù)據(jù)管理云平臺的云存儲技術將異構數(shù)據(jù)處理后轉化為格式化數(shù)據(jù)并存儲，云存儲具有以下3個特點：

1）對數(shù)據(jù)的存儲和管理能實現(xiàn)智能化、自動化，無需管理員過多干預；不同的異構數(shù)據(jù)經格式化處理后被整合存放于單一存儲空間，便于用戶訪問。

2）云存儲技術能夠實現(xiàn)負載均衡、故障冗余功能，在一定程度上能夠提高數(shù)據(jù)存儲效率，節(jié)約存儲空間，提高空間利用率。

3）云存儲可以根據(jù)數(shù)據(jù)的增長及變化實現(xiàn)彈性擴展，可有效節(jié)約運營成本及資源。

此外，利用云存儲技術還可以對教學資源庫進行建設，主要包含著教學軟件、課件、試題等，實現(xiàn)教學資源的整合共享。

2.4 數(shù)據(jù)處理

由于傳感器存儲的原數(shù)據(jù)可能存在不一致、不準確、不完整、含噪聲和數(shù)據(jù)重復等情況，有的數(shù)據(jù)分析價值不大，因此在數(shù)據(jù)分析前需要進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理是數(shù)據(jù)分析的重要步驟，數(shù)據(jù)處理包括以下幾個方式［6］：

1）數(shù)據(jù)清洗。數(shù)據(jù)清洗是對原數(shù)據(jù)進行錯誤校驗，糾正錯誤數(shù)據(jù)，刪除重復信息，填充缺失值以及數(shù)據(jù)的去冗余等，保證數(shù)據(jù)有效可用。

2）數(shù)據(jù)規(guī)約。數(shù)據(jù)規(guī)約是指對原數(shù)據(jù)的質量精簡。質量精簡有兩方面含義：一是盡量保留數(shù)據(jù)的原貌特征，保證規(guī)約后數(shù)據(jù)質量最大程度上不變；二是對數(shù)據(jù)的精簡，更有效地進行數(shù)據(jù)分析。例如，不同時間段的數(shù)據(jù)特征基本一樣，可以只保留一個時間段的數(shù)據(jù)進行分析。

3）數(shù)據(jù)變換。在對實訓室數(shù)據(jù)分析時，要求數(shù)據(jù)必須滿足一定條件，數(shù)據(jù)變換即對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。常見的數(shù)據(jù)變換包括特征二值化、特征歸一化、連續(xù)特征變化、定性特征啞編碼等。

2.5 數(shù)據(jù)分析和歸檔

基于實訓室日常管理、設備管理、安全管理需求，開展相關數(shù)據(jù)分析。通過對實訓室溫度、濕度、照明數(shù)據(jù)分析，設定合適的值實現(xiàn)空調、加濕器、窗簾自動開關，在提供舒適實訓環(huán)境的同時可以節(jié)約能耗，延長設備壽命，保障用電安全；通過對實訓室設備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，可以及時監(jiān)控設備異常，排除故障，實現(xiàn)設備出入管理及資產盤點管理；通過對視頻監(jiān)控、門禁、考勤、煙感報警數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)對學員身份鑒定、考勤管理、火災監(jiān)控，保障實訓室安全。通過以上數(shù)據(jù)的分析和整理，自動生成實訓室日報、周報及年度報告并歸檔，實現(xiàn)實訓室管理和維護可追溯。

3 結語

本文基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室業(yè)務數(shù)據(jù)處理，研究了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理、分析和歸檔等關鍵處理步驟。以實訓室全業(yè)務數(shù)據(jù)處理分析結果為參考，可以動態(tài)調配人工資源，實現(xiàn)開關的智能化控制，實時監(jiān)測實訓設備運行狀態(tài)，提高設備維護的及時性，保障實訓室安全。