基于物聯(lián)網(wǎng)的高職智慧實訓室管理中心建設

黃麗芬，劉道敬

（1.廣東行政職業(yè)學院實訓中心，廣東廣州510800；2.廣州工商學院經(jīng)濟與貿(mào)易系，廣東廣州510800）

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基于物聯(lián)網(wǎng)的高職智慧實訓室管理中心建設

黃麗芬1，劉道敬2

（1.廣東行政職業(yè)學院實訓中心，廣東廣州510800；
2.廣州工商學院經(jīng)濟與貿(mào)易系，廣東廣州510800）

摘要：敘述現(xiàn)存高職實訓室建設與管理存在的問題與不足，針對高職實訓室建設管理方面特點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術和云計算技術，基于共享、同治理念提出智慧實訓室管理中心建設與管理思路，設計智慧實訓室管理中心的層次架構，給出管理中心功能設計，云數(shù)據(jù)中心、RFID設備管理系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等的建設思路。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，智慧實訓室管理中心，云數(shù)據(jù)中心，RFID系統(tǒng)

針對高職現(xiàn)存專業(yè)實訓室管理的特點和不足，本文應用物聯(lián)網(wǎng)技術和云計算技術基于共享、同治理念設計提出智慧實訓室管理中心的建設與管理思路。建設智慧實訓室管理中心可以提高高職師生實驗信息服務質(zhì)量，改變高職實訓室傳統(tǒng)管理理念和手段，提升專業(yè)實訓室的管理效率，加速高職校園設備管理自動化進程，提高安全管理和環(huán)境管理智能化程度，改變以往高職專業(yè)實訓資源利用率不高、管理雜亂的現(xiàn)象。為使智慧實訓室管理中心的建設管理模式能夠滿足高職院校與日俱增的發(fā)展需要，需要積極探討新的建設管理模式。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實訓室管理中心建設與管理思路，旨在建設一個全面智能的實驗環(huán)境，形成一個以人為本的、全方位的管理中心，旨在為廣大高職師生提供更加專業(yè)、更加智能、更加人性化的輔助服務。

1　高職專業(yè)實訓室建設與管理現(xiàn)狀

高職院校要求培養(yǎng)學生成為技能型人才，因此教學實踐環(huán)節(jié)設置比例較大，各專業(yè)實訓室的建設和管理工作任務十分繁重。高職院校的專業(yè)實驗室普遍呈現(xiàn)使用規(guī)模大、人次多、專業(yè)設備分類繁雜，軟硬件更新快、管理復雜度高等特點。與之相對應的實訓室建設與管理方法卻普遍呈現(xiàn)人工化、手工化，建設缺乏布局上的整體性和連貫性，管理上信息化和自動化程度低?？偠灾咝嵱柺夜芾砩线€存在以下亟待解決的問題。

1）資源共享方面：相同或不同專業(yè)實訓室之間均存在著資源利用和分配不均勻現(xiàn)象，實驗設備和資源很難實現(xiàn)共享，專業(yè)實訓室重復建設率高。高職部分專業(yè)實訓設備相關技術發(fā)展速度快，設備軟硬件更新快，使用周期短，淘汰率高，更新建設造成人力、物力巨大浪費。

2）設備管理自動化方面：實訓設備和儀器布置分散、管理難度大、保養(yǎng)與維護自動化程度低等；專業(yè)實訓室往往設備數(shù)量多、種類雜，對儀器設備的日常維護和損耗維修依然停留在紙質(zhì)記錄和人工的方式上，管理工作量大，管理人員往往很難準確快速跟蹤設備使用和維護情況，資源浪費。例如，計算機實訓室目前多采用硬盤自動還原保護等手段來維護，管理人員需要根據(jù)實際情況重復設置手動和自動還原，學生計算機使用情況完全依靠紙質(zhì)記錄，這些現(xiàn)行的方法使管理和維護難度大且工作量大，對管理工作形成巨大負擔。

3）安全管理智能化方面：高職實訓室的教學任務多較繁重，往往一個專業(yè)的幾百名學生都在同一個實訓室上課，導致實訓設備處于不停歇的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，超負荷工作，使用頻率過高，加之設備數(shù)量龐大，常常無法做到及時維護，系統(tǒng)故障概率與日攀升。目前高職的實訓室安全管理絕大程度上依靠管理人員責任心和大量時間的坐班來維系，沒有成形的、穩(wěn)固的安全體系，缺乏各類潛在危險的預警體系建設。

4）環(huán)境管理自動化方面：專業(yè)實訓室因設備、儀器精密程度往往對實訓室的溫濕度、粉塵、噪聲等指標常有所要求，但現(xiàn)存的實訓室主要依靠管理人員責任心維系，未能實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控和自動管理；實驗室照明、設備供電、機器用電沒有實現(xiàn)自動化控制，人工耗費大，資源浪費。

2　物聯(lián)網(wǎng)技術在高職實訓室管理中的應用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)因其技術特點及廣闊的行業(yè)應用前景而受到了各行各業(yè)的高度重視。它是對計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等各種新技術、新理念的高度融合，它打通了電子技術、自動化技術、通信技術、生物技術、機械技術、材料技術等多種非相關技術間的通道，使得這些技術真正融合為一個整體，進而實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的通信互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般可分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層三個層次。物聯(lián)網(wǎng)涉及的新技術很多，其中的關鍵技術主要有射頻識別技術、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術等。

物聯(lián)網(wǎng)技術在高校實驗室管理中的應用模式和內(nèi)容主要體現(xiàn)在利用互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術及嵌入式技術來實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動協(xié)作以及開放實驗室設備資源、教學資源、科研資源的高度信息共享，構建一個虛實結(jié)合、軟硬兼顧、內(nèi)外相聯(lián)的實驗室信息系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗資源管理信息化、管理教學高效化、實驗室服務網(wǎng)絡化［1-3］。車轔轔等在文獻［1］中引入RFID、無線傳感器網(wǎng)絡、ZigBee等技術，構建一個集數(shù)據(jù)采集、處理和服務于一體的智慧實驗室。周春月等在文獻［2］中將互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術及嵌入式技術應用于實驗室信息系統(tǒng)建設，旨在實現(xiàn)實驗資源管理的信息化、實驗室服務的網(wǎng)絡化。毋妙麗在文獻［3］中基于云桌面技術建設實驗室資源共享平臺，提升資源利用率，增強實驗室維護的便利性。這些文獻提出的觀點和思路都從局部的角度解決了當前高職專業(yè)實訓室建設存在的問題。

3　基于物聯(lián)網(wǎng)的高職智慧實訓室管理中心建設

3.1基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實訓室管理中心建設層次架構模型

智慧實訓室管理中心以高職校園現(xiàn)存互聯(lián)網(wǎng)絡為依托，首先在各實訓室建立設備感知系統(tǒng)，實現(xiàn)設備間物物互聯(lián)，進一步將設備感知的網(wǎng)絡與校園互聯(lián)網(wǎng)相連實現(xiàn)物網(wǎng)互聯(lián)，最終實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)絡網(wǎng)網(wǎng)互聯(lián)，形成能智慧感知的實訓室物聯(lián)網(wǎng)絡。智慧實訓室管理中心在建立實訓室物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，借用云計算技術的力量將實踐教學硬件資源與軟件資源有效結(jié)合，科學管理，提升資源利用率。

圖1所示為智慧實訓室管理中心基于物聯(lián)網(wǎng)基礎模型建立的層次架構模型。其中感知層主要完成實訓教學設備的感知及控制、安防和環(huán)境等基層管理數(shù)據(jù)的采集和應用層管理命令的執(zhí)行。網(wǎng)絡層主要負責物聯(lián)網(wǎng)絡的互聯(lián)和感知層不同協(xié)議采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、傳遞，承擔著智慧信息的接入、傳輸、運算與保存等重要工作。應用層建立在感知層和網(wǎng)絡層的基礎之上，應用層須提供大量可靠、快捷、智能的應用服務，才能體現(xiàn)系統(tǒng)的智慧性。應用層旨在建立一個多服務綜合平臺，實現(xiàn)資源管理、教學管理及安全管理、環(huán)境管理等多種功能。智慧實訓室管理中心的應用層智慧管理平臺通過教學資源庫、學生自助實驗、教學管理、設備管理及日常管理等若干功能模塊的作用來充分實現(xiàn)對實驗教學、實驗資源、實驗環(huán)境及實驗人員等方面進行集中、高效地管理。

圖1智慧實訓室管理中心的層次架構模型

3.2云數(shù)據(jù)中心建設

云數(shù)據(jù)中心是整個實訓室智慧管理中心的重要組成部分。作為一種新型的管理系統(tǒng)，云計算被廣泛應用于高校實驗室中。云計算的應用可以簡化設備管理，提升資源利用率。云計算技術具有分布性和共享性，提高了設備計算能力和系統(tǒng)容災能力，減少設備之間依賴性，降低使用成本，提升設備的利用率等特點。同時，云計算具有軟件備份、統(tǒng)一管理資源和設備的功能，管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)仍處于防護狀態(tài)，從而可消除對系統(tǒng)產(chǎn)生威脅的因素，有效改善傳統(tǒng)系統(tǒng)管理的安全性問題。采用云計算平臺構建高職專業(yè)實訓室管理平臺，可以解決目前高職專業(yè)實訓室建設和管理中所面臨的一些問題，減少專業(yè)實訓室設備維護更新的投入，提升實訓室資源利用率［4］。

建立實訓室管理云數(shù)據(jù)中心，把所有的實訓教學軟件及實訓資源都放在云數(shù)據(jù)中心的服務器上，構筑一個虛擬資源池，便于管理人員管理各種軟件和實驗數(shù)據(jù)等，并對所有實踐數(shù)據(jù)存儲和分析及對實踐過程與結(jié)果量化，可追溯管理，基于校內(nèi)實踐教學大數(shù)據(jù)深度挖掘，可實現(xiàn)智能化實踐教學管理。當某個實驗室客戶端要使用其中的資源時，可以直接從共享資源池中獲取相關資源，只需要在客戶端輸入管理員分配的云用戶進入系統(tǒng)，云終端的資源管理軟件會根據(jù)用戶不同的需求自動分配。云數(shù)據(jù)中心建設主要包括云實驗平臺建設和教學資源庫建設兩大部分。

1）云實驗平臺建設。

結(jié)合高職云實驗平臺建設的特點，設計云實驗平臺建設基本架構圖，如圖2所示，包括三部分：硬件虛擬服務層、系統(tǒng)管理層、云終端系統(tǒng)層。虛擬服務層是IaaS，包括硬件系統(tǒng)層和虛擬機系統(tǒng)層，通過虛擬化軟件實現(xiàn)硬件虛擬，每個終端都對應云上的虛擬計算機。PaaS，包括云平臺資源管理系統(tǒng)等云上管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對硬件資源的整合管理和虛擬化操作。SaaS，是云終端系統(tǒng)層，包括硬件終端和登錄終端軟件系統(tǒng)。

圖2云實驗平臺的建設基本架構圖

2）教學資源庫建設。

教學資源庫的建設實質(zhì)就是高職各專業(yè)的實訓課程的資源和課程體系的電子化，具體包括教學軟件、視頻、課件、試題庫、公開課等等，其目標是從物理上把理論課教學與實驗課教學融合到一起。部署的教學資源可以以云的SaaS形式開放給校內(nèi)外需求者，整個教學軟資源以服務的形式提供給師生用于備課、教學、復習等，也可以以開放資源的形式面向社會并獲得一定的服務費用。教學資源就是理論技術資源與實踐實訓資源構成的創(chuàng)新型教學資源，其核心是課程體系資源與實訓體系資源。這2個資源物理分離，通過知識點與技術體系關聯(lián)耦合在一起服務于教學，為理論與實踐相結(jié)合的教學改革提供資源，為實踐教學提供共性的軟硬件平臺資源以及共性的基本型實驗課程。

云平臺加入高職實驗教學優(yōu)勢在于可使提供的教學資源共享方便、快捷、易用；還可以把企業(yè)信息化環(huán)境引入教學過程；鼓勵教師研發(fā)課程資源的載體，激發(fā)教師的教學工作熱情；提供可靠、安全的數(shù)據(jù)存儲服務，用戶端的設備要求低，使用方便，可與其他高校進行資源共享。

3.3基于RFID的設備管理系統(tǒng)

高職專業(yè)實訓室種類繁多，每個實訓室有上百個設備，且種類不一。安全和狀態(tài)監(jiān)測一直是困擾實訓室設備管理的大問題。如何科學管理，使用實驗設備既容易監(jiān)測又能保證安全，成為高職專業(yè)實訓室設備管理的一大難題。在實訓室引入倉儲物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，運用先進的RFID技術，對固定資產(chǎn)管理進行優(yōu)化和整合。實訓室門口設置RFID終端，設備進出實驗室都做了準確記錄或報警，便于設備安全管理。每個實訓室的設備資產(chǎn)都有統(tǒng)一編號，便于設備資產(chǎn)轉(zhuǎn)移等的管理。定期更換系統(tǒng)，詳細記錄每臺設備的型號、性能、使用情況和故障情況，從而有效解決以往高職專業(yè)實驗室管理雜亂的現(xiàn)象。引進RFID技術用于實訓室設備管理，把設備的詳細信息（如：設備名稱、設備編碼、設備廠家、設備參數(shù)、可用情況、檢修情況等）存儲在芯片中通過讀卡器識別傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)及無線終端設備上。這既便于數(shù)據(jù)查詢和更新，而且便于統(tǒng)一管理使設備使用、回收及檢測，有效防止設備丟失及替換的情況，降低了實訓室設備管理的勞動強度，大大提高了工作效率。

以速錄實訓室為例，除了計算機以外，速錄實訓室需要管理還有上百臺速錄機，傳統(tǒng)管理方法是通過編號，貼標簽的方式統(tǒng)一發(fā)放和統(tǒng)一回收，維持速錄機的有序和安全依靠的是學生的自覺和管理人員的辛勞。應用電子標簽技術，將實訓人員的信息與速錄機應用信息實時記錄，大大減輕了速錄機管理的工作量，同時保障速錄機的安全可靠使用。另外，速錄機需要定期的巡檢和維修，才能保障速錄教學的正常進行。實訓人員記錄速錄機的運行情況并存儲在電子標簽中，管理人員遠程收到故障情況設置報警信號安排維修，通過無線和有線網(wǎng)絡傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)的智能終端。遠程的情況下，就可以完成設備巡檢，大大縮短維護的時間明顯提高了效率。

3.4智能實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

智能實驗室環(huán)境監(jiān)控可參照智能家居系統(tǒng)建設，智能家居系統(tǒng)一般基于各類搭載了Zigbee等無線通信模塊的家用電器、照明設備和安防設備等，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的全面感知，并由智能家庭網(wǎng)關實現(xiàn)感知層和網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)交互。在智能家居系統(tǒng)的實際應用環(huán)境中，一般對設備節(jié)點的信息采集速率和命令發(fā)送速率要求都比較低。典型情況下，一般要求采集速率和發(fā)送速率為十幾kbit／s左右即可滿足要求，同時對信息傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡容量要求較高。在目前常見的無線組網(wǎng)技術中，ZigBee作為一種低功耗、低成本、低速率和低復雜度的近程無線通信技術，特別適合智能家居系統(tǒng)的應用特點，并被業(yè)界廣泛采用。而有線組網(wǎng)技術中EIB通信技術較為成熟，功耗和使用成本也相對較低。

基于無線的ZigBee技術或者是有線的EIB技術建立各個實訓室的環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，對實訓室的溫度、濕度、亮度、通風情況及安全、能耗等情況適時監(jiān)測控制，采集數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關及網(wǎng)絡層傳回數(shù)據(jù)服務器及管理平臺，及時展現(xiàn)給管理人員，通過移動APP功能管理人員無需坐班即可隨時隨地監(jiān)測實訓室環(huán)境及安全情況。系統(tǒng)自動通過預先設置的合適的春夏秋冬、白天、夜晚或自定義模式對實訓室環(huán)境進行預設置。門禁系統(tǒng)和課程設置系統(tǒng)綁定，辟如，周四上午有課的實訓室，周四上午8：20系統(tǒng)自動開啟對應課室的門禁，方便師生進入實訓室。

3.5智慧實訓室管理中心系統(tǒng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)的信息管理中心主要依托已有的技術比較成熟的校園網(wǎng)，包括其各種服務器和數(shù)據(jù)庫。智慧實訓室管理中心的系統(tǒng)平臺管理功能具體包括儀器設備管理、實踐教學管理和日常管理三大部分［5］，如圖3所示，儀器設備管理負責實訓室各種類型設備的狀態(tài)監(jiān)測、工作數(shù)據(jù)及采購、報廢、檔案管理等。實驗教學管理主要負責實驗資源、數(shù)據(jù)的管理，實訓課程的申請及教務管理等。實訓室日常管理包含日常安全管理、門禁管理及電源管理等。在這個平臺上，學生可以借助該平臺進行實驗預約、下載資源、瀏覽課程設置信息、查詢實驗報告等。教師可以借助平臺完成排課、實驗監(jiān)測及考務管理等操作。實訓室管理員在平臺上可以掌握各實訓室全部資源，包括設備狀態(tài)、端口占用情況并定期生成設備巡檢報告，實時掌控實訓室安全狀況及環(huán)境狀態(tài)。

圖3智慧實訓室管理中心系統(tǒng)平臺功能模塊

感知層的傳感器網(wǎng)絡終端數(shù)據(jù)通過密鑰認證，由讀卡器識別，經(jīng)過無線通信鏈路和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關傳輸?shù)綄嵱柺夜芾碇行摹Ｓ脩艨刂贫丝梢酝ㄟ^便攜電腦、手機等終端設備獲取需要的信息。智能處理端可以在第一時間內(nèi)對從傳感器網(wǎng)絡得到的數(shù)據(jù)進行分析診斷，并智能的發(fā)送相應的操作命令去控制應用終端設備。只要通過相關的認證，廣大師生可以通過手機或電腦隨時進入該管理系統(tǒng)，完成設備預約、接收實驗數(shù)據(jù)、查看實驗指南等操作。

4　結(jié)束語

提升實訓室管理技術的信息化程度是當前高職實訓室建設的大勢所趨。本文針對當前高職實訓室管理中存在的不足，打破壁壘、資源重新整合規(guī)劃、系統(tǒng)架構優(yōu)化，以先進技術為支撐，以資源共享為目標，以多元化服務為宗旨，提出基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術的智慧實訓室管理中心的建設方案，整合與優(yōu)化教學資源，加強實訓室的安防體系建設，提升設備管理與教學研究的工作效率，使實訓室管理操作更具靈活性和便捷性，實現(xiàn)節(jié)能降耗，旨在推動高職實訓室建設與管理到更高水平。

高職實訓室建設和管理涉及到的因素非常多，專業(yè)實訓室的規(guī)劃、設計以及管理技術性很強，建設一個高效規(guī)范的智慧實訓室必將是未來實訓室建設的一大發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段我國智慧實訓室建設只是一個起步階段，本文提出的是智慧實訓室管理中心建設思路，期待對高職實訓室建設和管理具有一定的推動作用。

參考文獻：

［1］車轔轔，孔英會，趙建立，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室設計［J］.實驗室研究與探索，2013，30（10）:212-215.

［2］周春月，閆子淇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧實驗室架構研究［J］.實驗室研究與探索，2014，33（5）:239-243.

［3］毋妙麗.基于云桌面技術的實驗室資源共享平臺建設［J］.實驗室研究與探索，2014，33（12）:290-294.

［4］王峰，黃剛.基于云平臺的計算機實驗教學中心建設［J］.實驗技術與管理，2014，31（12）:121-123，143.

［5］海濤，王鈞，廖煒斌，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校實驗室信息化

管理技術［J］.實驗室研究與探索，2012，31（9）:166-169.

［責任編輯：鐘艷華］

高職教育研究

Construction of Intelligent Laboratory Management Center for Higher Vocational College Based on the Internet of Things

HUANG Lifen1, LIU Daojing2
（1.Practical Training Center, Guangdong Vocational Institute of Public Administration, Guangzhou Guangdong 510800, China; 2.Department of Economics and Trade, Guangzhou College of Technology and Business, Guangzhou Guangdong 510800, China）

Abstract:This paper first points out the problems and shortcomings of laboratory construction and management, and then, based on the Internet of Things and cloud computing technology, proposes a new construction and management route with the concept of shared resources and shared responsibility. At the same time, the layers and structure of intelligent laboratory management center is designed. Finally, the construction routes for the design of the function of management system, the cloud data center, the equipment management system of RFID and the equipment monitor system are investigated.

Key words:the internet of things; intelligent laboratory management center; cloud data center; the system of RFID

作者簡介：黃麗芬（1982—），女，安徽桐城人，碩士，實驗師，研究方向：計算機應用技術、物聯(lián)網(wǎng)。

基金項目：廣東省高職教育教學管理委員會課題（JGW2015010）；廣州工商學院院級科研課題（KB201409）；廣東省高職高專云計算與大數(shù)據(jù)專業(yè)委員會教育科研課題（GDYJSKT14-01）。

收稿日期：2016-01-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.01.009

中圖分類號：G717

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6138（2016）01-0040-05