智能開放實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 磊

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)智能化、工業(yè)一體化為代表的第四次工業(yè)革命的到來，創(chuàng)新已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的主要驅(qū)動力量[1].世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的《2016-2017年度全球競爭力報告》顯示，中國合格科學(xué)家和工程師可獲得數(shù)量在138個國家中位列30位，創(chuàng)新能力位列45位，培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的大批創(chuàng)新型人才仍然是迫在眉睫的重要任務(wù)[2].而實驗室管理是完成這樣重要任務(wù)的關(guān)鍵.

開放實驗室的科研實踐與學(xué)術(shù)交流為學(xué)生的素質(zhì)拓展奠定了良好基礎(chǔ)，使人才培養(yǎng)從單一型向復(fù)合型和創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，教育教學(xué)從單一的知識傳授向全面的創(chuàng)新能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變.

1 高校實驗室現(xiàn)狀

盡管許多高校對實驗室開放的教學(xué)與管理工作進(jìn)行了系列的改革，但沒有徹底解決實驗室管理在開放時間、開放內(nèi)容、實驗設(shè)備管理等方面存在的問題[3-4]，高校實驗室開放的管理和運行存在的突出問題，主要有如下幾個方面：

(1)開放的實驗項目相對單一.目前很多高等學(xué)院的實驗室開放多數(shù)情況還是以課程實驗、專業(yè)實訓(xùn)、專業(yè)設(shè)計為主.而有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實驗室利用率相對較少，原因是目前實驗室開放的項目多數(shù)是由教師根據(jù)理論課程開設(shè)的，基礎(chǔ)性實驗多，缺少充足的設(shè)計性、綜合性實驗項目.

(2)開放性實驗的參加人數(shù)相對還較少，對學(xué)生進(jìn)行技能培訓(xùn)或開展非立項課題研究的難度則較大，從學(xué)生個性化發(fā)展和對培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力而言效果不夠理想.

(3)實驗室人員配備與訓(xùn)練不足[3].不能對學(xué)生進(jìn)行隨時隨地的指導(dǎo)，目前國內(nèi)高校實驗室管理基本上劃分到各個專業(yè)教研室，專業(yè)教研室的教師多數(shù)又承擔(dān)這非常重要的理論教學(xué)任務(wù)，所以對開放實驗室的學(xué)生進(jìn)行實驗指導(dǎo)的時間相對比較有限.由于人員不足導(dǎo)致實驗器件、設(shè)備的借用和歸還存在一定的時間限制[5-6].

(4)實驗室的開放時間固定.為了確保實驗室的安全使用，目前國內(nèi)多數(shù)高校的實驗室開放時間都集中在教師工作時間，實驗室的門禁一般有個別教師單獨管理，部分學(xué)生如果需要預(yù)約晚上或假日利用實驗室還需要進(jìn)行復(fù)雜的申請[7]，過程繁瑣導(dǎo)致一部分學(xué)生的退縮.

2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的開放實驗室管理系統(tǒng)

基于上述問題，針對實驗室使用中可能出現(xiàn)的安全問題，如忘記關(guān)窗戶、忘記關(guān)電源等造成的資源浪費、設(shè)備損毀等情況[2]，開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)+的開放實驗室智能管理系統(tǒng).開放實驗室智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 基于互聯(lián)網(wǎng)+的開放實驗室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)實驗室使用和管理中可能會遇到的問題，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實驗室溫度信息、濕度信息、電源監(jiān)控、煙霧等環(huán)境信息的監(jiān)控.最后利用B/S架構(gòu)[8-10]，構(gòu)建一個可拓展、界面美觀易操作的實驗室管理平臺.該系統(tǒng)利用智能硬件控制，通過信息化的操作，將實驗室各類信息存入數(shù)據(jù)庫，教師用戶通過連接服務(wù)器就可以按照需求對實驗室設(shè)備、項目、環(huán)境等進(jìn)行管理.學(xué)生用戶則可以進(jìn)行實驗相關(guān)信息查詢、實驗室預(yù)約等操作.

3 開放實驗室管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 無線通信

利用ZigBee技術(shù)[11]，構(gòu)建智能終端實現(xiàn)各設(shè)備、各區(qū)域的信息采集，結(jié)合modbus的ASCII協(xié)議保證數(shù)據(jù)的正確傳輸.通過網(wǎng)絡(luò)將采集的實驗室信息上傳到服務(wù)器，用戶通過電腦或手機(jī)登錄網(wǎng)頁即可進(jìn)行信息查詢或其他操作.

3.2 功能模塊

按照開放實驗室運行所需，系統(tǒng)需要具備如圖2的各項功能：

圖2 系統(tǒng)功能框圖

(1)用戶管理模塊

開放實驗室智能系統(tǒng)主要用戶有管理員、教師和學(xué)生三種，其中管理員的權(quán)限最高，可以再系統(tǒng)中進(jìn)行各種操作，如添加或刪除用戶、添加新設(shè)備、為教師用戶和學(xué)生用戶分配權(quán)限、管理各智能終端等；教師用戶權(quán)限次之，可以添加和管理實驗項目、管理智能終端等；學(xué)生用戶權(quán)限最少，僅可以查詢實驗室相關(guān)信息、預(yù)約實驗室和實驗設(shè)備進(jìn)行實驗等.

(2)實驗室管理模塊

此模塊主要是實驗室相關(guān)信息的管理.包括實驗室信息管理、實驗項目管理、實驗室設(shè)備管理.模塊中的信息只有管理員和教師用戶可以修改，學(xué)生用戶只能查閱.

(3)智能設(shè)備管理模塊

智能設(shè)備管理主要包括視頻監(jiān)控、門禁、智能電源等組成，主要用于實驗室環(huán)境的管理，管理員根據(jù)實際需要為教師用戶和學(xué)生用戶設(shè)置門禁權(quán)限，根據(jù)學(xué)生預(yù)約情況開啟實驗臺電源等，管理員和教師還可以通過視頻監(jiān)控對實驗室進(jìn)行安全管理等.

(4)查詢/預(yù)約模塊

學(xué)生用戶主要使用模塊，學(xué)生可以通過查詢/預(yù)約功能[10]，查詢實驗室信息、實驗項目信息、實驗設(shè)備位置等.最主要的是學(xué)生用戶可以根據(jù)自己的時間安排靈活的預(yù)約實驗室和相關(guān)實驗設(shè)備的使用，更加有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，同時也大大增加了實驗室的利用率，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力提供了更加有利的條件.

4 結(jié) 論

高校大型公共開放實驗室的高效管理是高校綜合管理能力的集中體現(xiàn)，也是高校發(fā)展的重要環(huán)節(jié).本文針對高等院校開放實驗室建設(shè)和管理提出基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能開放實驗室管理系統(tǒng)，為更好的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提供了平臺.