物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用

付曉豹 楊冰銀

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，在實(shí)驗(yàn)室管理方面，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)驗(yàn)智能化管理，提高管理效率。文章通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室管理中使用到軟、硬件技術(shù)進(jìn)行介紹，以實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室管理；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；軟硬件

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后信息技術(shù)的又一重大創(chuàng)新，我國(guó)已將物聯(lián)網(wǎng)明確列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）》和2050年國(guó)家產(chǎn)業(yè)路線圖，2010年已把物聯(lián)網(wǎng)寫(xiě)進(jìn)《政府工作報(bào)告》，并納入我國(guó)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的對(duì)策和建議到國(guó)家五大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，意味著物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)已正式列入國(guó)家戰(zhàn)略層次。隨著互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是全面滲入各行各業(yè)中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為人們?cè)谶M(jìn)行控制和管理更為便捷。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到高校在實(shí)驗(yàn)室管理中，同樣可以提高實(shí)驗(yàn)室的管理效率和實(shí)驗(yàn)室的利用率。

1 當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室管理的現(xiàn)狀

高校實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)的重要場(chǎng)所之一，是學(xué)生檢驗(yàn)理論的平臺(tái)，是教師科研的沃土。但在實(shí)驗(yàn)室管理上由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的復(fù)雜性，一直都比較落后，與現(xiàn)有教學(xué)手段不相適應(yīng)。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室管理的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）管理手段相對(duì)落后，難以適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)教育的需要。大部分實(shí)驗(yàn)室管理還處于手工管理階段，由管理員每天進(jìn)行設(shè)備的分發(fā)與回收，造成了工作效率較低。（2）管理信息化程度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的重要條件之一，但由于實(shí)驗(yàn)室管理信息化程度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放。（3）安全問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室一些小器件，經(jīng)常會(huì)被學(xué)生無(wú)意帶出實(shí)驗(yàn)室，造成實(shí)驗(yàn)室不必要的損失。（4）各管理系統(tǒng)之間容易出現(xiàn)信息孤島。目前大部分學(xué)校都有實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，但各實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)大多互不相連，因此形成了信息孤島，從而造成實(shí)驗(yàn)室資源無(wú)法充分利用[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室以信息智能化為核心目標(biāo)，圍繞信息采集智能化、信息處理智能化、信息顯示與推送智能化全面展開(kāi)。信息采集智能化是智慧實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)，是有別于數(shù)字校園的顯著特征，智慧實(shí)驗(yàn)室中的信息采集智能化設(shè)備具有自組網(wǎng)、自診斷、自修復(fù)、不間斷運(yùn)行高穩(wěn)定性和高可靠性特點(diǎn)，能夠進(jìn)行校園中的信息自動(dòng)采集，減少信息采集中的人力投入，提高采集的準(zhǔn)確信和可靠性。信息處理智能化依靠云計(jì)算的強(qiáng)大處理能力，對(duì)信息進(jìn)行分析、處理，為決策提供有力的數(shù)據(jù)保障[2]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)室要符合物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要是通過(guò)RFID和傳感器等硬件設(shè)備來(lái)獲取物體的信息。網(wǎng)絡(luò)層主要利用通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將感知層獲取的信息傳遞出去。應(yīng)用層是利用感知層得到的信息和網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的功能。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)室在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)上也要符合物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)，如圖1所示。在感知層，主要通過(guò)各類檢測(cè)點(diǎn)和攝像頭作為數(shù)據(jù)采集的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層可以通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)兩種方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。應(yīng)用層主要通過(guò)PC端或安卓手機(jī)端上的管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理和控制[3]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施方案

對(duì)普通實(shí)驗(yàn)室的改造主要從門禁、窗簾、安防、電器控制等方面進(jìn)行，從而形成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室。要實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)室的功能，需要從物聯(lián)網(wǎng)感知層部署硬件。

（1）單路網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)（Network Video System，NVS）網(wǎng)關(guān)。1路視頻，最高分辨率到 D1，支持3G手機(jī)查看和Web訪問(wèn)，視頻傳輸碼流可調(diào)整，MPEG4 編碼方式，自帶ZigBee網(wǎng)關(guān)，支持CMRTP協(xié)議，不可實(shí)現(xiàn)對(duì)講及抓拍。

（2）門禁控制方面主要硬件包括門禁考勤節(jié)點(diǎn)、指紋門禁RFID節(jié)點(diǎn)。禁考勤節(jié)點(diǎn)主要功能有無(wú)線單刷卡門禁系統(tǒng)，服務(wù)器對(duì)門與卡進(jìn)行統(tǒng)一管理，記錄開(kāi)門、刷卡、考勤信息，可設(shè)定多個(gè)時(shí)段開(kāi)門，也可通過(guò)遠(yuǎn)程指令開(kāi)門，具有機(jī)械可開(kāi)、遠(yuǎn)程控制、刷卡、信號(hào)反饋、呼叫等功能。指紋門禁RFID節(jié)點(diǎn)主要功能有無(wú)線指紋門禁系統(tǒng)，存儲(chǔ)識(shí)別1 000枚指紋，ZigBee傳輸可視距離100 m，支持CMRTP協(xié)議，具有機(jī)械可開(kāi)、遠(yuǎn)程控制、信號(hào)反饋等功能。

（3）安防控制方面包括開(kāi)啟關(guān)閉布防節(jié)點(diǎn)、聲光報(bào)警器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線門磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)、幕簾式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、側(cè)墻式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、吸頂式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、火災(zāi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線緊急呼叫節(jié)點(diǎn)。主要采用ZigBee協(xié)議來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

開(kāi)啟關(guān)閉布防節(jié)點(diǎn)的主要功能有無(wú)線遙控按鈕，對(duì)安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉布防。聲光報(bào)警器節(jié)點(diǎn)的主要功能有通過(guò)ZigBee接收NVS網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的信息，實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警功能，嚇阻入侵者。無(wú)線門磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能有：傳感器檢測(cè)門窗的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ZigBee接收NVS網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的信息。幕簾式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于窗戶，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過(guò)ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報(bào)警信號(hào)。側(cè)墻式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，安裝墻壁上，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過(guò)ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報(bào)警信號(hào)。吸頂式紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，安裝在天花板上，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過(guò)ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報(bào)警信號(hào)。ZigBee火災(zāi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)煙霧濃度，通過(guò)ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。ZigBee無(wú)線緊急呼叫節(jié)點(diǎn)，無(wú)線緊急呼叫按鈕。

（4）實(shí)驗(yàn)室控制方面。IC卡刷卡取電節(jié)點(diǎn)、燈光控制器節(jié)點(diǎn)、窗簾控制節(jié)點(diǎn)、光照度采集節(jié)點(diǎn)、RFID寫(xiě)卡系統(tǒng)。

IC卡刷卡取電節(jié)點(diǎn)，無(wú)線控制電源控制器，采用ZigBee傳輸，可視距離可達(dá)到100 m，最大負(fù)載電流10 A，電壓220 V。燈光控制器節(jié)點(diǎn)為三路無(wú)線照明控制器。窗簾控制節(jié)點(diǎn)主要為無(wú)線窗簾控制控制器，具有左、右、停功能。光照度采集節(jié)點(diǎn)，采用APDS-9300數(shù)字光照度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室燈光的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的功能。RFID寫(xiě)卡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刷卡取電的功能[4]。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理中的具體情況，實(shí)驗(yàn)室的管理工作量大，并且不易管理，結(jié)合近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提升、智能終端設(shè)備性能的不斷提高，使得開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成為可能。信息顯示與推送智能化，利用計(jì)算機(jī)、平板、手機(jī)等多種平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、多途徑，將有用的信息及時(shí)、準(zhǔn)確地推送到需要的信息管理者手中，實(shí)現(xiàn)信息的有效利用。因此，在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，應(yīng)該包括以下模塊系統(tǒng)設(shè)置、教務(wù)管理、安全管理、設(shè)備管理、日志信息管理和使用幫助等六大模塊。其中系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括實(shí)驗(yàn)室信息設(shè)定、實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)定、組織架構(gòu)設(shè)定、角色設(shè)定、教師管理和學(xué)生管理。教務(wù)管理主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理而設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)的主要功能，該模塊主要包括實(shí)驗(yàn)中心信息、實(shí)驗(yàn)設(shè)定、課程設(shè)定、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、排課管理、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理、資料上傳、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、留言管理、通知管理、座位管理、日程安排。安全中心模塊主要包括服務(wù)器設(shè)置、一卡通管理、照明管理、插座電源管理、智能電源管理、視頻管理、門禁管理、警報(bào)布防管理、窗簾管理。儀器管理包插儀器信息管理、儀器狀態(tài)管理、維修管理、信用管理、消耗品管理。日志管理包括系統(tǒng)日志、警報(bào)日志和儀器日志。信息查詢模塊包括成績(jī)查詢、實(shí)驗(yàn)課表查詢。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級(jí)，使得實(shí)驗(yàn)管理人員從繁雜的實(shí)驗(yàn)室管理工作中解脫出來(lái)，增加了實(shí)驗(yàn)室管理的信息化程度，提高了實(shí)驗(yàn)室管理的效率，同時(shí)使得各實(shí)驗(yàn)室之間的信息能夠及時(shí)溝通，消除了信息孤島，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率。

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