“互聯(lián)網(wǎng)+”開放實驗室改建方案研究

魏永濤 孫鑫鵬 張淑梅

摘? 要：為解決高校實驗室無法24小時開放、設(shè)備利用率低、學生借用儀器難的問題，提高儀器使用效率，在分析現(xiàn)有實驗室管理系統(tǒng)相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，使用射頻識別技術(shù)和新型WiFi模塊，結(jié)合服務(wù)器和Android端手機軟件，實現(xiàn)了一種新的開放實驗室系統(tǒng)，能夠在不對現(xiàn)有實驗室格局進行大幅改動的情況下，基于現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)開放實驗室，使學生能夠查看空閑設(shè)備并預約使用;設(shè)計了相應(yīng)的管理辦法，提高了儀器使用率，將教學、實踐與創(chuàng)新進行無縫連接。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+;開放實驗室;管理系統(tǒng);Arduino Android

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）08-0065-04

Abstract： In order to solve the problem that university laboratories can't open 24 hours， equipment utilization is low， students borrow instruments is difficult， and the efficiency of instrument use is improved. Based on the analysis of existing literatures， using radio frequency identification technology and WiFi module， in combination with the server and Android software， this paper presented a new open lab management system. Enabling students to view idle devices and make appointments， the system also reserves interfaces for teacher propositions and student independent experiments， which can support the specified experiments and record project data automatically. The corresponding management methods have been designed to improve the utilization of instruments and to seamlessly link teaching， practice and innovation.

Keywords： internet plus initiative; open laboratory; management system; Arduino Android

前言

高校實驗室是實現(xiàn)科研創(chuàng)新的基地，是理論與實踐相結(jié)合的主要陣地。學生通過實驗室能夠進一步提高自己的創(chuàng)新能力，教師可以在指導學生的過程中逐步提升自己的業(yè)務(wù)素質(zhì)。隨著越來越多的高校實驗室向社會開放，實驗室還是學術(shù)交流和社會服務(wù)的關(guān)鍵所在，可以說高校實驗室是高校教學、科研、社會服務(wù)以及人才培養(yǎng)的重要場所。

隨著實驗室的建設(shè)越來越受到重視，各校在經(jīng)費投入、師資培養(yǎng)、教學質(zhì)量管理等方面都下足了功夫，其中，實驗室的條件和實驗設(shè)備的改善尤為明顯[1-3]。然而，盡管各高校對實驗室的管理都有擬定相關(guān)的規(guī)章制度，但由于實際實施時存在的各方面問題，高校普遍存在實驗室資源利用率偏低的現(xiàn)象[4，5]，主要有以下兩方面客觀原因：

一是實驗室所能提供的工位有限，有很多實驗設(shè)備器材同一時刻只能滿足一個人或一個實驗項目的使用需要。而實驗室的儀器占用狀況等信息缺乏一個有效的公開渠道，這就導致某些實驗設(shè)備器材前有時侯人滿為患，而有時侯卻無人問津的現(xiàn)象，造成了資源的浪費。

二是申請進入實驗室的流程過于繁瑣，往往需要填寫紙質(zhì)申請書、遞交、等待被批準后才能有資格進入實驗室，需有教師值守，效率低下。

截止2015年5月21日，我國高等學校累計達到2845所，每所高校下屬又有若干實驗室。面對如此龐大的實驗室群體，如果有一套行之有效的解決方案能合理地分配資源，使這些投入了大量資金建造的實驗室得以最大化的發(fā)揮作用，那么將會給高校的教育、科研方面帶來巨大的好處。

現(xiàn)有研究成果多是基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)新建開放實驗室管理系統(tǒng)[6-10]，但是在高校教學設(shè)備經(jīng)費投入緊張的現(xiàn)狀下，對實驗室進行全面重建并開放存在著巨大的現(xiàn)實困難，本文提出使用射頻識別技術(shù)和新型WiFi模塊，結(jié)合服務(wù)器和Android端手機軟件，實現(xiàn)了一種新的開放實驗室管理系統(tǒng)，能夠在不對現(xiàn)有實驗室格局進行大幅改動的情況下，投入少量改造經(jīng)費即可基于現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)開放實驗室，具備普遍意義上的可行性。并且參考現(xiàn)有文獻[11-13]中的開放實驗室管理辦法，制訂了與所設(shè)計系統(tǒng)相適應(yīng)的管理和使用方案。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本實驗室管理系統(tǒng)通過射頻識別技術(shù)和新型WiFi模塊實現(xiàn)實驗室現(xiàn)有設(shè)備管理的智能化、規(guī)范化、流程化。有效提高實驗室信息化管理水平，最大程度的分配好高校實驗室的資源，實現(xiàn)無人值守開放使用。本系統(tǒng)分為硬件裝置、相關(guān)軟件、網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器三個部分。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

為了滿足不同類型的實驗室需要，設(shè)計了門禁裝置和取電裝置兩大類硬件裝置，如圖2所示。其中門禁裝置放置于實驗室門口，實驗室管理人員和通過APP申請的學生可以通過刷卡進入實驗室，實現(xiàn)實驗室的初步管理;電源裝置用于管理實驗室里貴重、危險抑或是數(shù)量稀少而需求大的設(shè)備，學生通過刷卡取電使用該設(shè)備，同時其他學生也可以在APP上查看該設(shè)備的使用狀態(tài)、預約使用該設(shè)備，實現(xiàn)實驗室的精確管理。所有硬件裝置都與網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器連接，接受服務(wù)器傳遞的數(shù)據(jù)、指令，并向云服務(wù)器反饋當前該硬件裝置的狀態(tài)。

圖2 硬件裝置示意圖

（一）門禁裝置硬件設(shè)計

門禁裝置主要由單片機、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲芯片、WiFi模塊、電磁繼電器和電磁鎖等組成。

RFID讀卡裝置采用MFRC522芯片，MFRC522是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是NXP公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。

WiFi模塊采用ESP8266芯片模塊。ESP8266是一款低成本、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的完整Wifi網(wǎng)絡(luò)解決方案

單片機模塊選用以 ATmega328P作為核心芯片的arduino nano控制器。ATmega328P是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AVR系列單片機?？刂破魍ㄟ^io模擬spi與RFID讀卡裝置通訊，通過硬件串口與WiFi模塊通訊，通過推挽模式的io口控制繼電器從而實現(xiàn)電磁鎖的開閉控制。

（二）取電裝置硬件設(shè)計

取電裝置主要由單片機、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲芯片、WiFi模塊、電磁繼電器和插座電源等組成。其中單片機、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲芯片、WiFi模塊、電磁繼電器的硬件部分設(shè)計與門禁裝置類似，但電磁繼電器的控制對象由電磁鎖變更為插座電源。

（三）節(jié)點組網(wǎng)設(shè)計

由于部分實驗室用電設(shè)備多，需要有較多取電裝置，考慮到每臺無線網(wǎng)絡(luò)路由最大負載用戶數(shù)量有限（理論上最大連接數(shù)為243條），可以將唯一的門禁裝置設(shè)置為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個實驗室的各個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)管節(jié)點連接無線路由器向外網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，極大減輕了實驗室無線網(wǎng)絡(luò)的負擔，整個聯(lián)網(wǎng)過程如圖3所示。

圖3 聯(lián)網(wǎng)方式示意圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項目的軟件部分則包含針對學生的手機APP、針對實驗室管理者的管理程序兩部分。各部分詳細功能如圖4所示。

圖4 軟件功能示意圖

（一）學生APP軟件設(shè)計

學生通過APP向云服務(wù)器發(fā)送指令申請使用實驗室及相關(guān)儀器設(shè)備;同時，APP從云服務(wù)器得到數(shù)據(jù)，顯示各實驗室的使用狀況與申請情況?？紤]到試驗設(shè)備的特殊性和高校實驗室使用現(xiàn)狀，學生APP可以申請多人同時段共用實驗設(shè)備，具體設(shè)計如圖5所示。

（二）實驗室管理軟件設(shè)計

實驗室管理人員則通過管理程序批準學生申請實驗室的請求，并可以通過云服務(wù)器實時檢測實驗室各儀器設(shè)備的使用情況。本項目中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器扮演數(shù)據(jù)存儲中心、處理中心、交換中心的角色。所有用戶軟件和硬件裝置上傳的數(shù)據(jù)都通過云服務(wù)器解析、處理、存儲，實現(xiàn)了自助申請實驗室和自助排隊使用設(shè)備儀器的功能，如圖6所示。減少了實驗室管理的人力投入，提高了效率。

四、開放實驗室管理機制

隨著高校教學制度的進步，開放實驗室模式開始逐漸普及。開放實驗室是面向?qū)W校全體師生開放的實驗室，通常具有科研項目重、儀器多而雜、學生流動性大等特點。本系統(tǒng)可應(yīng)用于開放實驗室的管理，具體流程如圖7所示。

（一）便捷的預約機制

學生可通過手機APP的查詢實驗室的使用狀況、空閑時間等信息。并可以通過APP快速向管理員提交預約使用實驗室的申請。極大簡化了預約實驗室的流程。

（二）減輕管理人員的工作量

實驗室管理人員通過軟件批準學生的實驗室儀器使用請求，實現(xiàn)實驗室管理的高效化;通過門禁裝置實現(xiàn)實驗室的進出管理、通過電源裝置實現(xiàn)實驗室的設(shè)備管理，實現(xiàn)實驗室管理的自動化;通過管理軟件實現(xiàn)對實驗室儀器設(shè)備使用狀況的監(jiān)控，實現(xiàn)實驗室管理的簡單化。減少了管理人員的工作量，減輕了開放實驗室給管理人員帶來的負擔。

（三）便于數(shù)據(jù)采集和分析

本系統(tǒng)使實驗室的相關(guān)數(shù)據(jù)（儀器設(shè)備的使用頻率，常用時段等）便于采集，并預留了實驗數(shù)據(jù)采集接口，為教師命題、學生自主實驗預留了接口，能夠支持對指定實驗項目數(shù)據(jù)的自動記錄，可以為后期實驗數(shù)據(jù)實時采集提供接入條件。通過對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，管理者可以歸納出實驗室更好的使用安排和設(shè)備調(diào)度方案。

五、結(jié)束語

本文介紹了通過建立實驗室儀器設(shè)備自助借用系統(tǒng)，在現(xiàn)有教學設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于云端資源和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的開放性實驗室，以最低成本解決了實驗室無法24小時開放、設(shè)備利用率低、學生借用儀器難的問題。提高儀器使用效率，并采用項目化方式對學生入駐進行管理，鍛煉學生系統(tǒng)設(shè)計和創(chuàng)新能力，將教學、實踐與創(chuàng)新進行無縫連接。

建立開放性實驗室能夠在根本上解決學校資源分配的矛盾，其中心作用是以最大的效率為學生們的課外電子制作與相關(guān)設(shè)計培訓任務(wù)提供實驗條件的支持，讓學生能夠隨時到實驗室動手實現(xiàn)自己的想法，而不用受限于老師是否值班，增加了學生們對實驗學習的主觀能動性，提升動手能力，為學生們提供一個良好的實踐平臺。

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