基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統設計與實現

崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院，重慶 400054)

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·實驗室建設與科學管理·

基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統設計與實現

崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院，重慶 400054)

探討了當前高校實驗室管理中存在的問題，以先進的管理理念為指導，結合當前高校實驗室管理工作中的實際情況，介紹了基于物聯網技術的實驗室智能化綜合管理系統的設計思想及實現思路。該系統包括教學管理、開放管理、學生管理、教師管理、實驗課程與實驗項目管理、儀器設備管理、實驗耗材管理、電源與安防管理等相關模塊，并和學校一卡通管理系統互通，結合移動互聯網技術，采用智能手持終端技術，實現了實時高效地對實驗室進行全方位的監管。該系統的運行使得高校實驗室開放管理工作更加科學化和制度化，提高了實驗室資源的使用效率，降低了實驗室的能耗，大大提高了管理工作效率和服務水平。

智能； 綜合管理系統； 物聯網； 實驗室

0 引 言

實驗室是學校、科研機構開展人才培養、科學研究和社會服務活動的必備的場所，也是培養學生動手實踐能力、綜合應用能力和創新能力最重要的基地，其建設和管理水平將對高校的教學和科研產生重要的影響，因此，管理部門也將實驗室作為對高校的評估考核和高校新專業申請等工作的一個重要指標。但與此同時，高校實驗室也存在著以下兩種情況：①政府部門和高校都紛紛加大了對實驗室的投入力度，不但大量的陳舊設備得以更新，大量的高精尖等先進儀器設備也進入了高校的實驗室。②高校在校生的規模急劇擴大，這種情況在非985、211高校尤為明顯，實驗室的管理工作量也大大增加，而管理人員在面臨教學、科研和評職稱的壓力下，對實驗室管理上投入的精力與需求的差距越來越大，實驗室隊伍建設的速度遠跟不上實驗教學工作量和實驗儀器增加的速度，人員結構和數量已遠跟不上形勢的發展，有些高校的實驗室忙于應付計劃內開設的教學實驗，造成設備資源的嚴重閑置，其利用率和產出沒有得到有效發揮[1]。為此，結合高校實際情況和實際需要，研究開發了“基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統”。該系統通過建立教學管理、開放管理、學生管理、教師管理、實驗課程與實驗項目管理、儀器設備管理、實驗耗材管理、電源與安防管理等相關數據庫，實現了實驗室全方位的智能化管理，大大降低了以往由人工操作帶來的實驗教學管理工作繁瑣、失誤較多、管理效率和水平低下、設備利用率低等現象。

1 高校實驗室管理中存在的問題分析

(1) 實驗室安全隱患多。隨著高校學生規模的急劇增加，實驗室的教學和科研活動日益頻繁，在實驗室專職人員和實驗場地嚴重短缺的情況下，課外開放實驗室供課堂上沒有完成實驗的同學繼續實驗以及學有余力的學生開展創新性、綜合性實驗提供必要的條件和研究生、本科生參與到實驗室管理的工作的情況日益增加，學生參與管理工作可以提高學生的相關能力和降低實驗室管理人員的壓力，但學生的實驗室管理經驗遠不及老師，在老師不在場的情況下，學生違規操作，不嚴格按照步驟進行實驗的情況時有發生，而有些實驗的過程和實驗材料危險性非常高，甚至會威脅師生的人身安全[2]。

(2) 實驗室師資隊伍建設跟不上建設的步伐。在高校，實驗室師資隊伍得不到應有的重視，實驗技術人員往往屬于教學輔助人員，他們的能力往往通過自己的慢慢摸索實踐得到提升，很少有出去培訓提升的機會，在職稱評定、項目申請、科學研究、進修提升等方面遠低于教師崗位，使得有能力、學歷高、素質高的人員不愿加入實驗隊伍[3]。目前的實驗隊伍總體上存在學歷偏低、年齡老化、職稱低的現象，而一些先進的高精尖設備對管理人員的要求較高，而這些人員對新技術的接受能力較弱，管理跟不上，甚至出現了設備買回來無人管理造成設備嚴重閑置的現象。

(3) 實驗室管理水平跟不上迅猛發展。近年來，各高校加大了實驗室建設投入力度，中央與地方共建實驗室、“211工程”建設經費、“985工程”建設經費、重點學科經費、國家重點實驗室經費等投入了巨資，面對實驗室建設的飛速發展，大部分實驗室管理人員還是原來的、方式和手段也沒有發生變化，制度、觀念不變，這些實驗室軟件并沒有發生太大的變化[4]。

(4) 儀器設備損壞率增加。許多高校為了提高設備的利用率，都提出將實驗室進行開放，但由于師資管理跟不上，造成實驗室實行開放后，進出實驗室的學生數量明顯增加，而很多學生不按規程操作儀器設備，故障率和損壞率也越來越高[5]。有的學生沒有養成良好的習慣，實驗完成后不關掉儀器設備電源、走后不關燈、即使一個人也空調大開，造成嚴重的浪費。

2 智能化綜合管理系統原理及實施方案

2.1 系統架構

基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統采用面向服務的構架，包括用戶端、客戶端、應用支撐端、應用端、基礎設施及服務等5個層面，如圖1所示。

圖1 基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統的構架

2.2 系統硬件組成及其拓撲結構

構建智慧型實驗中心主要應用物聯網技術、視頻技術(采集、壓縮、傳輸)、語音對講技術、通訊技術、網絡技術、數據庫技術、軟件開發技術和智能手機開發技術構建設實驗室智能化綜合管理系統[6]。該系統將實驗室各種資源開放和共享，通過運用信息化技術手段為學生提供了一個自主的實驗實作環境，為教師提供方便教學條件，為管理提供先進的管理方式和手段，為教學和科研提供有力的基礎支持，為提高實驗儀器設備的利用率提供了更安全和便捷的保障，為提高學生的實踐動手能力提供良好的基礎設施保障[7]。實驗室門禁系統、實驗終端控制系統為實驗室控制裝置；交換機、防火墻、服務器及實驗室開放計費/計時平臺軟件系統為核心支撐平臺；語音對講，即時通訊系統為師生之間答疑和溝通的橋梁，客戶端電腦、觸摸屏系統、LED大屏顯示系統、智能手機和APP應用程序為客戶端應用，系統硬件及拓撲連接如圖2所示。

圖2 系統硬件組成及其拓撲結構圖

2.3 系統軟件組成及關鍵部分實施方案

實驗室智能化綜合管理系統軟件的模塊組成簡要介紹如下。

(1) 開放實驗。該模塊主要針對教學計劃外的新實驗項目或者實驗選修課的開放實驗管理。老師可以通過本模塊對新實驗項目進行的實驗時間、實驗地點、實驗報名起止時間、所需器材、參加實驗學生的預約、查詢，以及對學生參加完開放實驗提交的實驗報告進行批閱。學生可查看開放實驗課程內容，選擇參加開放實驗報名、填寫實驗報告和查看開放實驗成績[8]。

新增投資者開戶數(NIA)：新增開戶數是指為國股票市場每月新增加的有效賬戶數量。通過這一數據能夠反映投資者入市的時間和數量的變化，在很大程度上也反映出投資者參與股票市場的熱情高低。情緒樂觀時，投資者參與市場的熱情高漲，促使新股民踴躍進入證券市場，開戶數劇增；而當投資者情緒悲觀時，市場呈觀望氣氛，市場低迷，抑制了新投資者的投機沖動，從而延遲入市。

(2) 創新實驗。本模塊主要針對創新實驗方案與項目的創建、安排、實驗報告等工作的管理。有創新思想的學生通過本模塊可自主提交創新實驗方案，審核通過后老師根據實驗方案創建創新實驗項目，并為學生安排創新實驗的實驗室、實驗時間及相關耗材設備。創新實驗管理模塊為有創新思想的學生提供了一條可自主把創新思想轉化為創新實驗項目實踐的途徑，將大大激發學生的創新思維與實踐能力[9]。

(3) 自主實驗。自主實驗管理模塊是實驗室管理最主要的核心功能之一。通過本模塊管理員可對實驗室場地、時間、設備、耗材自主選擇開放管理，從時間上空間上全面自主開放實驗室資源。同時學生可通過本模塊自主預約自主實驗項目的時間、地點等。

(4) 教學實驗。本模塊主要讓老師管理自己的教學計劃安排及查詢、變更，評定學生的實驗成績，系統自動根據所有老師計劃課時解決沖突，提供給老師可視化、人性化的排課選項；同時為學生提供實驗報告模板，隨時查詢教師評定結果與周課表；教學效果評價、教學資源的上傳、下載、更新；教學實驗項目設置、維護等。

(5) 系統設置。本模塊是系統運行的基礎，包括數據字典、基礎信息、物資基礎信息、實驗室基礎信息、審批流程、權限設置、系統設置的基礎數據錄入與維護功能，這是系統運行的基礎，全面的信息資料的錄入將減輕老師、管理員的工作負擔[10]。

(6) 辦公管理。本模塊包括了實驗室工作人員、老師、管理部門日常的一些工作集中處理管理，如申請、審核、維修、報損等，師生員工信息的維護。

(7) 器材物資。低值易耗品及設備的管理在實驗室日常管理工作中是一項量大且繁瑣，但又極其重要的工作。本功能模塊對物資的采購、驗收、入庫、領用 、使用統計、庫存調整、數據查詢，設備的相關人員、維護、報修、借入借出、報廢等工作管理。有效監控物資情況，減少耗材閑置、浪費，設備流失的現象[11]。

(9) 安全控制。實驗室安全監測及控制系統由濕度煙霧監測傳感器、人體紅外傳感器、有毒有害物質監測(電化學)傳感器、機電(電流、電壓)監控傳感器、壓力監控傳感器、實驗室安全監控裝置、聲光報警裝置、監控軟件系統、客戶端電腦和智能手機應用終端構成，該子系統的實施方案如圖3所示。

圖3 實驗室安全監測實施方案

(10) 電控管理。電源控制系統是實現對有源儀器設備的電源開啟和閉合的一個管理系統。在電源控制器的前端通過以太網TCP/IP或是485通信遠程控制技術實現對有源實驗儀器設備的授權使用，即：用戶在通過門禁控制系統身份認證后，方可對指定的某臺儀器設備使用。與網絡視頻監控系統結合實現實驗室開放的無人值守，強化過程監控管理，在實驗室無人使用時自動切斷照明、空調、儀器的電源，在滿足一定的條件下自動接通排風系統、空調系統的電源等[12]，其技術原理如圖4所示。

3 實驗室智能化綜合管理系統功能

實驗室智能化綜合管理系統軟件部分由開放實驗管理、創新實驗管理、自主實驗管理、教學實驗管理、系統設置管理、辦公管理、物資管理、統計報表、安全控制和電控管理等模塊組成，具體功能如圖5所示。

圖4 實驗室電源控制系統實施方案

4 實驗室智能化管理系統的優點

4.1 降低了實驗室管理工作量

在實驗室綜合智能化管理系統中導入教師的課表后，就可實現值班的自動安排，改變了以往由人工根據老師的課表人工排值班的模式；系統和教務處的管理系統直接對接，改變了以往教務處的數據要人工導出，經過人工轉換以和實驗室的管理系統數據格式進行匹配，由于和教務處的系統直接對接，期末提交給教務處的匯總數據等也基本實現了無人化操作，也實現了數據的同步更新，避免了以前的教務處數據和實驗室的數據不同步的現象[13]；在實驗室的開放過程中，系統實現了根據課表自動確定實驗室的開放授權、電源及門禁控制、視頻監控等，避免了以往管理人員查看課表決定實驗室是否開放、人工開閉電源、人工開關門等，實驗室人員真正由“看門人”成為真正的技術管理人員，也有更多時間指導學生實驗和進行科研工作；系統和財務處的一卡通對接，實驗室無需安排專人為學生充值服務，所有這些都把實驗室人員從大量的事務性毫無技術性的工作中解放出來。

圖5 基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統的功能

4.2 提高了實驗室的安全性

系統集成了視頻監控，即使無老師在場的情況也確保了實驗室財產安全，自此，鼠標、接線板、網線、開發板等丟失的現象不再發生；通過視頻監控，管理人員也可以對違反操作規程或其他禁止行為及時作出切斷電源等處理，通過視頻錄像，也可對儀器損害情況做到有據可查，以便作出是正常損壞還是故意損壞的判定[14]；通過物聯網技術，系統根據采集人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電化學毒氣傳感器自動啟動防火防盜防毒等報警系統、排風除濕降溫系統，確保了實驗室安全有效的運行；通過系統的器材管理，做到器材使用跟蹤，既避免了丟失，同時對化學藥品劑量和使用記錄的追蹤，確保不被非法使用。

4.3 提高了開放的效率

通過系統可以實時了解實驗室及儀器設備的開放情況，哪些儀器可以預約開放使用，哪些處于維修保養狀態，通過系統的監控，可以確保實驗耗材的使用量在合理的范圍中，杜絕了鋪張浪費現象的發生。通過網絡電源控制器加強對有源儀器設備監管、傳感器、門禁刷卡連用進行身份識別，自動控制電源，杜絕了長明燈、長流水、長吹空調、設備無人狀態長運行的現象的發生，有效節約了能源。

4.4 為廣大師生員工提供了便利

在移動互聯網盛行的當下，學生可以通過移動客戶端、計算機等隨時隨地的方便地查詢到實驗室的開放情況，學生根據這些信息可以方便的作出合理的安排，避免了學生興致勃勃的到實驗室才發現實驗室不開放或無資源可開放；通過刷卡系統可以隨時掌握學生出勤情況，避免了教師還要花時間點名，通過系統對教學資源、教學設計和課堂管理，方便了教師的教學，避免了教師在個人電腦、教室多媒體計算機、實驗室教師機、優盤等設備間資源重復的搬家。

4.5 確保實驗室數據的科學性、準確性

許多高校在實踐教學及管理等方面普遍存在著這樣或那樣的問題，雖有規范的規章制度，但由于繁瑣并沒有真正的得到有效的執行，通過智能化的綜合管理系統可以幾乎不增加工作量的情況下很方便的實現集中控制，實現資源共享，并做到管理的合理化和規范化。通過系統數據采集分析子系統可以對管理員管理工作、設備的使用情況、教師和學生使用記錄做詳實準確的匯總分析，便于學校管理部門對實驗室和管理人員的考核、獎勵做到有據可依，也可對儀器設備的使用效益作出準確的評估，通過學生開放使用記錄也可以更準確的了解學生真正的需求，以便為實驗室的建設做重要的參考[15]。通過儀器設備的過往維護記錄、耗材使用記錄，可以為管理部門制定維修費用、耗材使用經費預算提供準確的依據，改變以往完全由各部門自己申請，國資處或設備處執行，缺乏必要的使用效益的評價措施和依據。

5 結 語

基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統的建立，徹底改變了以往實驗室粗放的管理模式，實驗室的管理觀念也得到改變，通過系統的實施，規范了實驗教學管理，不僅提高了實驗室管理人員的工作效率和服務水平，也提高了實驗室設備的利用率和設備維修及耗材資金的使用效益，系統中的原始資料和基礎數據也為實驗室開展評估提供了重要的依據。管理系統中智能電源控制系統也避免了電力能源的浪費，其基于物聯網的視頻監控、傳感器采集數據、RFID身份識別的綜合應用也提高實驗室的安全性；通過優化現有的實驗室隊伍結構，運用現代化的物聯網等信息化輔助管理手段，將實驗室人員從開關門、電、拿著本子登記等繁瑣的毫無技術含量的工作中解放出來，以將更多的精力投入到教學改革和科學研究中去，也使得實驗室的管理更加合理規范化、數據的科學性和準確性。

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Design and Implementation of Intelligent and Compositive Management System for Laboratories Based on Internet of Things

CUIGuan-xun

(School of Computer Science & Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China)

The current problems existing in the management of laboratory are discussed. The ideas of design and implementation of intelligent and compositive management system for laboratories based on the Internet of Things are introduced. The system combines with the current actual situation of laboratory management, and takes advanced management concept as a guide. There are many modules in this system, such as teaching management, open management, student management, teacher management, laboratory courses and experimental project management, equipment management, laboratory supplies management, power management and security-related modules. The most important is that the system connects with the one card management system of campus. At the same time，the system can realize all-round and real-time supervision to open laboratory efficiently combining with the mobile Internet technology and intelligent handheld terminal technology．The operation of the system can make the open management of college laboratory more scientific and institutionalized，and improve the utilization of university equipment．The energy consumption of lab is reduced and the management efficiency and service levels are improved greatly at the same time.

intelligence; compositive management system; Internet of Things; laboratories

2015-01-25

中國學位與研究生教育學會研究課題(C-2015Y0401-038);重慶市高等教育教學改革研究項目(143001;153115);重慶市教育科學“十二五”規劃課題(2014-GX-039);重慶市教育評估研究會教育評估研究課題(PJY2015-52);重慶市研究生教育教學改革研究項目(yjg152003);重慶理工大學高等教育教學改革研究項目(2014ZD01;2014QN02);重慶理工大學重大教學成果培育項目(2013011);高等學校計算機教育研究課題(ER2015011)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級實驗師，實驗室副主任，主要從事實驗技術研究及實驗教學。

Tel.：13271948663；E-mail：cgx@cqut.edu.cn

T 391.0,G 642.0

A

1006-7167(2015)11-0217-04