基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備監(jiān)測與智慧實(shí)訓(xùn)中心構(gòu)建

徐 樂 郎超男 于如信 朱玉斌

（江蘇師范大學(xué)，徐州 221116）

受新冠肺炎疫情影響，各階段教與學(xué)的方式發(fā)生了巨大改變，各高校的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)教學(xué)受此影響更大，很多現(xiàn)場實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)管理、安全維護(hù)等工作都需要向遠(yuǎn)程化、智能化控制方向發(fā)展[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建出覆蓋人和物的網(wǎng)絡(luò)信息管理技術(shù)，能夠?qū)⑽锢硎澜缗c信息世界進(jìn)行有效連接[3]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物流、建筑、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，在樓宇管理、智能家居、電網(wǎng)管理等方面的應(yīng)用也較為成熟[4-5]。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、樓宇管理等領(lǐng)域的技術(shù)和特性，探索、搭建了一個(gè)智能化工程實(shí)訓(xùn)中心管理系統(tǒng)和平臺，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)訓(xùn)場所中儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)訓(xùn)環(huán)境、硬件設(shè)施等遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能控制的功能，從而提升了實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理能力和實(shí)訓(xùn)場地的智慧化管理水平。

1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備監(jiān)測與智慧實(shí)訓(xùn)中心構(gòu)建需求

工程實(shí)訓(xùn)課程作為高校培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)和創(chuàng)新意識提升的必修課程，也是高校中受眾人數(shù)最多的一門課程[6]。實(shí)訓(xùn)過程中，設(shè)備及實(shí)訓(xùn)場所實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理對高校因疫情影響而展開的教學(xué)模式改革尤為重要[7-8]。根據(jù)對多所學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的調(diào)研分析和總結(jié)，目前實(shí)訓(xùn)設(shè)備監(jiān)測與智慧實(shí)訓(xùn)中心構(gòu)建的難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

1.1 實(shí)訓(xùn)儀器種類、數(shù)量較多，人工綜合管理、故障診斷等較為困難

由于工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)面向全校所有理、工科專業(yè)學(xué)生和部分文科專業(yè)學(xué)生，不同學(xué)科專業(yè)開設(shè)的實(shí)訓(xùn)工種不同，且大部分實(shí)訓(xùn)設(shè)備通常是長時(shí)間連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行且長期用于“新手”學(xué)生使用，其零部件會不可避免地出現(xiàn)劣化，在沒有實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制的情況下，實(shí)訓(xùn)設(shè)備一旦發(fā)生故障，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會對實(shí)訓(xùn)師生造成人身傷害，從而產(chǎn)生重大教學(xué)安全事故。

1.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)工種較多，尚無綜合智能管理平臺

隨著實(shí)踐教學(xué)的不斷深化，設(shè)置工程實(shí)訓(xùn)課程的專業(yè)越來越多，同一時(shí)間內(nèi)實(shí)訓(xùn)場所會有不同專業(yè)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)。不同學(xué)科、專業(yè)開設(shè)的實(shí)訓(xùn)工種和實(shí)訓(xùn)深度不同，對實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課程安排、設(shè)備管理、場地協(xié)調(diào)等都提出了較高要求，單一的實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理模式已無法滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求，因此需要一個(gè)綜合智能型管理系統(tǒng)和平臺，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備使用狀態(tài)的目標(biāo)，最大化利用各實(shí)訓(xùn)教學(xué)場地和儀器，避免實(shí)訓(xùn)器材重復(fù)購置、空閑擱置以及無人管理等問題。

1.3 實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)應(yīng)急防護(hù)、安全監(jiān)測等存在漏洞

現(xiàn)階段各高校實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)的門窗、燈光均使用機(jī)械和手動方式開關(guān)，各個(gè)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)環(huán)境的安全采用輪班檢查方式，一旦發(fā)生安全問題，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會對周圍師生造成人身傷害，甚至引發(fā)重大安全事故，因此對實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)環(huán)境及消防安全實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測和控制非常有必要。從實(shí)訓(xùn)設(shè)備監(jiān)測與智慧實(shí)訓(xùn)中心構(gòu)建需求可看出，無論從人、財(cái)、物的保護(hù)角度，還是從實(shí)訓(xùn)中心智慧化建設(shè)和提升角度，對實(shí)訓(xùn)場所進(jìn)行智能監(jiān)測和管理都顯得尤為重要。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

為了使開發(fā)的智能實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)符合實(shí)際教學(xué)需求，先對國內(nèi)多所工程訓(xùn)練中心進(jìn)行了調(diào)研，并對目前實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了分析總結(jié)，然后在不斷學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展、體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)平臺在智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的系統(tǒng)開發(fā)模塊，并制定了具體智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可看出，開發(fā)的智慧實(shí)訓(xùn)中心主要包含4大功能模塊，各功能模塊具體內(nèi)容如下。

圖1 智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)結(jié)構(gòu)圖

2.1 智能教學(xué)管理模塊

智能教學(xué)管理模塊是一個(gè)集教學(xué)信息收集、整合、應(yīng)用、顯示為一體的智能控制模塊，包括實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排、實(shí)訓(xùn)儀器管理、實(shí)訓(xùn)師生管理3個(gè)子模塊。其中：實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排模塊是通過系統(tǒng)中各實(shí)訓(xùn)室教學(xué)計(jì)劃安排表及實(shí)訓(xùn)室內(nèi)外部感知系統(tǒng)結(jié)果，將實(shí)訓(xùn)室教學(xué)使用情況、實(shí)訓(xùn)效果以及存在問題等情況傳輸?shù)缴弦患壒芾硐到y(tǒng)，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排和實(shí)訓(xùn)室有效利用提供數(shù)據(jù)支撐；實(shí)訓(xùn)儀器管理模塊是利用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)和遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)大型實(shí)訓(xùn)儀器進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而及時(shí)了解各個(gè)儀器設(shè)備使用情況及運(yùn)行狀態(tài)，為實(shí)訓(xùn)儀器的維護(hù)保養(yǎng)、零件更換和故障診斷等提供數(shù)據(jù)參考；實(shí)訓(xùn)師生管理模塊是通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和人物狀態(tài)識別系統(tǒng)捕捉和分析教師講授各工種時(shí)的教學(xué)狀態(tài)和學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，同時(shí)也可以量化學(xué)生出勤和學(xué)習(xí)時(shí)長，為教師督導(dǎo)、學(xué)生評教、教學(xué)質(zhì)量提升等提供參考依據(jù)。

2.2 智能安全管理模塊

智能安全管理模塊是在實(shí)訓(xùn)場所已有環(huán)境的基礎(chǔ)上，搭建的一個(gè)集人、財(cái)、物的安全管理為一體的綜合預(yù)警控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)的儀器設(shè)備、人員及實(shí)訓(xùn)環(huán)境等設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。智能安全管理模塊通過借助各大型設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，并結(jié)合監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行全天不間斷監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳到后臺監(jiān)測管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)利用云計(jì)算及大數(shù)據(jù)技術(shù)分析和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對故障設(shè)備的及時(shí)停機(jī)和遠(yuǎn)程斷電，保障設(shè)備安全，降低故障發(fā)生的概率。同時(shí)，智能安全管理模塊能夠利用無線攝像頭、智能門窗、人臉識別以及煙霧感應(yīng)等技術(shù)監(jiān)測和分析實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)師生操作安全、消防安全、異常入侵等情況，還能夠通過物聯(lián)網(wǎng)平臺將異常情況及時(shí)上傳到監(jiān)控管理系統(tǒng)，并具有報(bào)警預(yù)警處置功能。

2.3 智能身份認(rèn)證模塊

智能身份認(rèn)證模塊包括日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)身份認(rèn)證和對外開放身份認(rèn)證兩種功能模塊。對于日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)，為了滿足防疫要求及教學(xué)考核所需，可以在進(jìn)出實(shí)訓(xùn)場所的主要通道設(shè)置身份認(rèn)證裝置，身份認(rèn)證數(shù)據(jù)及軟件與學(xué)校門禁系統(tǒng)一致，可通過人臉識別或刷校園卡進(jìn)行身份認(rèn)證，認(rèn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)一由學(xué)校智慧校園平臺控制和管理，避免數(shù)據(jù)泄露。同時(shí)，實(shí)訓(xùn)場所一般需要對校內(nèi)師生提供對外科研創(chuàng)新開放服務(wù)，通過身份認(rèn)證功能模塊可以識別科研師生身份和統(tǒng)計(jì)科研工作量，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上傳至學(xué)校智慧校園管理平臺后，可用于教師科研工作量計(jì)算、科研產(chǎn)出比分析、科研經(jīng)濟(jì)效益分析等，同時(shí)也為實(shí)訓(xùn)場所的對外服務(wù)效益提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4 智慧校園對接模塊

智慧實(shí)訓(xùn)中心除了實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理控制的系統(tǒng)性、智能型、科學(xué)化，同時(shí)也是為了完善、拓展智慧校園的設(shè)施和功能。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)設(shè)置了對接智慧校園功能模塊，實(shí)現(xiàn)了將實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課程安排、實(shí)訓(xùn)場所使用情況、實(shí)訓(xùn)場地實(shí)時(shí)監(jiān)控等與智慧校園系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)對接。同時(shí)，為了后續(xù)擴(kuò)展其他功能和應(yīng)用，預(yù)留出多個(gè)端口對接智慧校園，以實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)與智慧校園系統(tǒng)同步對接。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)訓(xùn)中心應(yīng)用效果及價(jià)值

根據(jù)智慧實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)方案及我校實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)機(jī)械設(shè)備數(shù)量及具體情況，搭建出了一個(gè)小型智慧實(shí)訓(xùn)中心，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制多臺旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，以及將故障設(shè)備及時(shí)斷電的功能。同時(shí)，智慧實(shí)訓(xùn)中心的建立對實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)的開展和運(yùn)行提供了智能化、系統(tǒng)化支撐，從而為實(shí)訓(xùn)師生的安全提供強(qiáng)有力的保障，對進(jìn)一步完善和加強(qiáng)智慧校園建設(shè)具有多重實(shí)用價(jià)值。

（1）利用智慧實(shí)訓(xùn)中心平臺能夠?qū)?shí)訓(xùn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（正常運(yùn)行、停電關(guān)機(jī)、發(fā)生故障等）進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測，并建立監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對故障設(shè)備提供遠(yuǎn)程斷電保護(hù)，有效避免了實(shí)訓(xùn)設(shè)備因局部隱患而引發(fā)的機(jī)械故障和安全事故，減少了實(shí)訓(xùn)設(shè)備維修成本。

（2）利用智慧實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)能夠?qū)?shí)訓(xùn)場所內(nèi)的可燃?xì)怏w和光電煙霧進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，且能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制門窗；利用移動客戶端能夠?qū)崟r(shí)查看實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)溫、濕度及地面水浸情況。同時(shí)，通過云計(jì)算和人工智能技術(shù)對各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，利用分析結(jié)果，可制定出科學(xué)合理的實(shí)訓(xùn)硬件環(huán)境以及機(jī)械設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方案，充分提升各設(shè)施和機(jī)械零部件的使用率，避免過度維護(hù)，既提高了設(shè)備、設(shè)施的工作效率又節(jié)約了維修成本。此外，利用上述方案可制定出實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)施的安全防范措施，從而為實(shí)訓(xùn)場所內(nèi)機(jī)械的使用、保養(yǎng)、維修等提供參考依據(jù)，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排和安全管理提供科學(xué)指南。

（3）實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與智慧校園管理系統(tǒng)的對接和信息傳遞，實(shí)時(shí)查詢設(shè)備、耗材、工具的使用信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息以及各實(shí)訓(xùn)工種課程安排信息等。同時(shí)，智慧實(shí)訓(xùn)中心能夠?yàn)楦鲗I(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排提供科學(xué)的分配方案，使各實(shí)訓(xùn)室的硬件環(huán)境和設(shè)施設(shè)備得到合理利用和科學(xué)維護(hù)，從而提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，保障師生人身安全。

4 結(jié)語

本文立足于現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)環(huán)境，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能樓宇等方面的結(jié)構(gòu)和特性應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)，探索出了智慧型實(shí)訓(xùn)中心模型，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備監(jiān)測與智慧實(shí)訓(xùn)中心平臺，并實(shí)現(xiàn)了與智慧校園系統(tǒng)對接。通過智慧管理系統(tǒng)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供良好的實(shí)訓(xùn)環(huán)境和實(shí)踐平臺，同時(shí)為教師、學(xué)生和管理人員提供智能化、安全化、可視化的管理平臺。通過與智慧校園的對接和信息傳遞，為全校師生提供一個(gè)集信息整合、采集、傳輸、發(fā)布于一體的綜合實(shí)訓(xùn)信息服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了從物理環(huán)境、資源到教學(xué)管理的數(shù)字化、智能化管理模式，有效提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的信息化程度，提升了實(shí)踐教學(xué)管理水平。