面向高校智能實訓管理系統的物聯網體系結構的研究與設計

王文杰

（天津交通職業學院,天津,300110）

1 物聯網技術研究背景

物聯網（Internet of Things，lOT)是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特征。通過對接高速網與低速網，實現任何物品的尋址與識別、狀態檢測，信息實時共享的目的。

2 物聯網相關技術以及在實訓教學中的應用

2.1 核心技術

表 1 物聯網三層模型及相關技術

物聯網將是下一個推動世界高速發展的“重要生產力”從技術架構上來看，物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層[1]。

2.2 無線射頻識別系統架構

無線射頻識別（RFID）是目前物聯網產業中技術最成熟，使用最廣泛的感知識別層技術。系統主要由三大部分組成：閱讀器、天線和電子標簽[2-4]。閱讀器通常集成天線，一方面通過天線與RFID電子標簽通信，另一方面與本地計算機相連。標簽由耦合元件、芯片和微型天線組成，每個芯片內可寫入唯一的電子編碼。當電子標簽進入閱讀器掃描范圍內后，閱讀器可以讀出標簽內存儲的電子編碼。中間件系統中的通用資源標識符（URI）、ONS及其緩存系統和包含數據庫的數據處理中心，這些都和計算機網絡相連，故可以實現數據實時的查詢和跟蹤。

2.3 無線傳感網

傳感器的定義是：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成[5]。隨著現代科技的進步，現代傳感器更加智能化、網絡化。其典型代表，就是無線傳感節點。無線傳感節點除了具備傳統傳感器基本功能外，還自帶微型處理器和無線通訊芯片。這樣一來，無線傳感節點除了能感知信息外，還可以對所獲信息進行分析處理，并且通過網絡傳輸。

圖1 RFID應用構架

圖3 管理系統功能模塊

圖3 無線傳感器節點組成

通過無線連接將傳感器網絡化后就形成了一種新的傳感器應用模式—無線傳感網。無線傳感網能夠通過在一個監測區域內布置大量低成本的無線傳感器節點組成多跳無線網絡，以獲取監測區域內環境數據。

3 智能實訓管理融合物聯網技術

3.1 教學管理和數據服務

3.1.1 實訓課程的預約與查詢 基于高職院校數字化校園體系，智能實訓管理系統與教務系統對接，實訓教師可以根據課程進度預約實訓室，實現了資源的科學分配。學生則可以通過關注實訓管理系統提前得知將要進行的實訓課程的時間、地點、項目以及需要提前預習的相關知識。

3.1.2 一卡通、門禁與考勤 校園卡除了卡面上印刷了學生的照片和相關信息外，卡內還集成了一個RFID電子標簽，里面也同樣寫入了學生的基本信息。通過在實訓場地入口處加裝門禁設施，學生在上課前必須刷卡進入。而且卡內個人信息必須與預約實訓室班級成員信息相吻合[6-8]。該個人信息也同樣被實訓管理系統記錄下來，作為當次實訓課程的考勤，大大提高了實訓的安全性和考勤數據的準確性。

3.1.3 實訓任務下達與結果評價學生進入實訓場地后，還需刷卡上機。數據處理中心會根據卡內信息分配權限。學生根據自己的權限可以在實訓系統中看到自己將要進行的實訓任務、操作要求和數據指標。學生依據實訓指導書進行實訓練習，實訓系統將實時采集學生實驗數據，生成實訓結果。實訓指導教師可在自己的權限下對學生的實訓結果進行評價打分，存入數據庫。在學期末的時候可以自動生成學生實訓成績報表，方便成績錄入和查詢。另外學生刷卡上機，可以生成設備使用記錄，便于設備管理。

圖4 開放性實訓室

3.2 實訓室管理

3.2.1 設備管理 在設備購入時使用RFID電子標簽代替紙質標簽，寫入設備名稱、編號等信息，在設備進入實訓室時，通過入口的閱讀器（固定居多）就可以對設備進行自動識別入庫，在實訓管理系統中生成設備清單。設備損壞時，通過手持閱讀器讀取電子標簽可以建立設備維修記錄。通過在管理系統中設置設備使用周期，系統會在設備報廢前自動提醒，大大降低了設備管理的人力成本。

3.2.2 設備定位以物流專業為例。實訓教學中會用到很多小型器材和教具。例如在物流倉儲實訓課程中會使用手持條碼掃碼器、包裝箱、各種實物貨物等。實訓中的一個任務就是要求學生按照要求擺放貨物，再通過實訓系統模擬倉庫收發作業。根據調查顯示，全球零售商庫存準確率只有51%[9]，雖然實訓室面積有限，但是學生將貨物擺放錯位置依然難以避免。通過預先在實訓器材上粘貼RFID標簽，在實訓室固定節點上安裝閱讀器，選擇合適的算法，數據處理中心就可以實現對實訓場地內實訓器材的定位。這樣既可以有效的獲取準確庫存，提高實訓效率，也可以方便器材的查找，便于教師對學生實訓成績的評估。

3.2.3 安全維護對大型實訓設施進行有規律的安檢維護是保障設備可持續運行的必要措施。傳統的安檢周期通常由技術人員自己掌握，往往會出現時間上的盲目性和安檢人員的隨意性[10]。使用智能實訓系統進行管理以后，管理員可以根據設備的使用頻率和維修記錄，估算出設備可能出現故障的時間節點，由系統定時提醒技術人員進行安檢維護，并將生成安檢記錄寫入RFID標簽中。這樣，即便更換管理員，也不會因為交接過程中產生的疏忽流失了維護記錄，保證了設備使用和管理的連續性。

3.2.4 自動化環境調節通過在實訓場地內組建無線傳感網絡，對場地內溫度、濕度、粉塵濃度等數據指標進行監控。數據處理中心可以將得到的監控數據進行處理，反饋到相應設備中，以實現實訓室內環境的自動化調節。通過這種機制，可以有效的保障實訓室內環境指標保持在最佳范圍，有效的提高了實訓精度和實訓過程中師生的舒適度。

3.3 開放性實訓室

3.3.1 開放于學生 高職院校的實訓室除了服務于日常教學外，還可以考慮將之對外開放。例如即將畢業走入實習崗位的應屆學生，他們已經具備了一定的動手能力，希望在課內實訓基礎上，對將要走上的工作崗位進行有針對性的技能訓練。通過實訓管理系統預約，在實訓場地空閑的時候安排由這部分的學生進行實訓，提高了其職業競爭力。不僅如此，大量高質量員工進入企業，也會使大大提高學校在用人單位中的形象。

3.3.2 開放于企業 高等職業院校的人才培養方案除了適用于培訓在校學生外，也部分適用于培訓企業員工。很多中小型企業急需大量具有足夠專業技術能力的技術工人，但讓企業自行培訓員工需要投入大量時間和金錢，對企業是一個沉重的負擔。高等職業院校基于自身實訓條件為企業量身定制培訓計劃，提供技術培訓則可大大降低企業成本，縮短培訓周期。而企業根據市場需求和行業變化為培訓內容提出改進建議，定制個性化培訓方案，也會大大促進高校實訓課程的優化和提升，實現“校企雙贏”的局面。

參考文獻

[1] 常杰.基于物聯網技術的高等院校物流實訓中心建設研究[D].山東大學,2012.10

[2] 陳宇.遠距離RFID技術在高校實驗室設備管理中的應用[J].科技資訊,2012(32):33-33

[3] 傅培華.現代物流信息技術實驗室建設探究[J].實驗室研究與探索,2012(1):181-184

[4] 饒增仁.RFID及識別技術在開放實驗室中的應用 [J].蘭州大學學報（自然科學版）,2009年(45期):159-160

[5] 張東焱.基于多層架構的倉儲管理系統的設計[D]:吉林大學,2010.

[6] 張藝萌.基于RFID的高校實驗室管理技術[J].陜西廣播電視大學學報,2013(15):61-63

[7] 劉兵.RFID技術在開放式實驗室智能管理系統的應用探析[J].科技信息,2009(13):459，469

[8] 董超.RFID技術在開放性實驗室管理系統中的應用[J].制造業自動化,2012(4):55-57

[9] 宋遠峰.基于RFID的定位系統綜述[J].數字通信,2013(4):9-13.

[10] 楊海英.物聯網技術在高校實驗室管理中的研究[J].復旦大學,2011: