基于物聯網技術的實驗室管控平臺的探究

張青　田俊杰　施琴　徐劼

摘 要：結合實驗室管理改革的實際情況，將物聯網技術引入到軍校實驗室管理工作中，改變傳統實驗室的管理模式。從管控平臺的整體構架入手，闡述了基于物聯網技術的智能管控平臺的構建方案，分析了硬件系統及軟件系統，實現了實驗室的開放預約管理、集中管控管理、資產管理等功能。實踐證明，該管控平臺提高了實驗室的管理水平，減輕了管理員的工作負擔，真正實現了實驗室管理的網絡化、自動化、智能化、信息化。

關鍵詞：實驗室管理；物聯網技術；開放預約；信息化

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

隨著計算機信息化和教育數字化的實施，各高校都組建了現代化的實驗室，以滿足日益增長的教學要求，同時也盡量滿足學生在課余時間自由上機的需求。軍校實驗室是我軍高校進行科研和教學最重要的場所，其作為院校中三大支柱之一，在新型軍事人才的培養等方面起著無可替代的作用。因此，實驗室的管理水平會直接影響高素質新型軍事人才的培養。

我校近年來對在線教學模式進行了大力推廣，以期對傳統的教學模式進行深化改革。隨著在線教學平臺的逐步完善和校園網上教學資源的逐步豐富，學員在課余時間進行網上自主學習的動力得到了進一步加強。計算機實驗室擁有大量的優質計算機資源和順暢的軍網接入環境，為學員自主學習和SPOC在線教學等提供了保障。隨著在線教學的深入推進，實驗室的日常開放日益成為實驗室建設中極為重要的部分。由于人手不足、日常教學保障任務繁重等原因，目前計算機實驗室的開放（特別是晚間和周末的開放）力度不夠，因此，以往以人工方式預約和管理為主的手段已無法適應當前的需求。為了從根本上實現實驗室管理的智能化、自動化和實時化，將目前日趨成熟的物聯網技術融入并應用到其中是最佳選擇。

1 物聯網技術的發展與應用

物聯網（Internet of Things， IoT）是指通過紅外線傳感器、射頻識別（RFID）、激光掃描器、定位系統等信息傳感設備，按照約定協議把物品和網絡連接起來進行信息交換以及通信，從而實現智能化跟蹤、識別、監控、定位與管理的一種物物相連網絡[1]。物理網的出現打破了數據管理和物理設施間相互獨立的模式，為實驗室管理提供了新的方法和視角，其應用領域非常廣泛。在高校實驗室的管理中，應用較為廣泛的是物聯網核心技術中的RFID技術。例如，麻省理工學院電子研究實驗室利用EPC Gen2無源RFID標簽來管理和追蹤上千份文件[2]，在很大程度上提高了實驗室文件的管理效率。而針對實驗室智能化管理的需求，不少高校從不同角度出發，提出了許多實驗室信息管理的解決方案，如機房自動管理系統、分級管理開放型機房、基于IC卡的高校實驗室智能管理系統等。但是在軍隊院校中，物聯網技術的應用依然十分有限，就目前軍隊院校中實驗室的管理現狀來講，基本還局限于某一領域的技術或設備的簡單橫向擴展，尚未注重實現更加緊密的縱向聯系[3]。為此，理學院基礎實驗室對此進行了逐步的研究和探索，提出了基于物聯網技術的實驗室管控平臺的建設方案，取得了一些初步的成果。

2 基于物聯網技術的實驗室管控平臺

本文就物聯網技術在軍校實驗室管理中的應用這個課題進行探索性分析，提出了基于物聯網技術的關于實驗室管控平臺的初步解決方案，包括硬件系統、架構和軟件系統三部分，系統架構如圖1所示。

借助于遠端PC 微機，可通過“軍網”連接實驗室管理系統的服務器，實時了解實驗室的運行情況，并進行相應的控制。而物聯網的無線設備接入點則共同組成“無線傳感網”，從而完成RFID數據和傳感器的無線傳輸，感知實驗室的運行狀態，并進行相應的控制。ZigBee網關實現了“無線傳感網”與以太網之間的互聯，是一種短距離的無線通信技術，其底層的技術基于IEEE 802.15.4。相比于WLAN和藍牙具有功耗低、網絡容量大等優點，并能方便地實現Mesh網絡[4]。數據匯集到鏈接主接入點的PC機，然后由實驗室的管理軟件來負責數據的分析和存儲功能。RFID 標簽是設備身份標簽，用于標示實驗器材和資產的身份。

2.1 硬件系統的設計

本系統的硬件設計主要包括RFID讀寫系統、數據處理服務器、無線設備接入點以及中控平臺等。

RFID讀寫系統主要由電子標簽、讀寫器及天線三部分構成，是一種應用在信息采集系統中的非接觸式自動識別技術，可工作在各種惡劣環境中，以識別高速運動中的物體，還可同時識別多個標簽，進而快速實現物體的管理和追蹤，擁有可靠性高、保密性強、方便快捷等特點[2-5]。

RFID標簽用來標示設備身份，選用可以固定在設備或實驗器材上的電子標簽，每個電子標簽的電子編碼是唯一的[6]。讀寫器分為手持式設備和固定設備，可用于標簽內信息和數據的寫入與識讀。當電子標簽經過閱讀區域時，電子標簽能獲得讀寫器通過天線發出的射頻信號，借助感應電流獲得的能量發送存儲在芯片中物體的信息，在讀寫器讀取信號并進行解碼處理后，發送到中央處理系統進行數據處理工作。

2.2 軟件系統設計

2.2.1 用戶服務系統

用戶服務系統作為整個軟件系統的核心部分以及整個系統的入口，具有強大的數據處理和分析功能，并在場地信息、資產管理、開放預約、公共服務、集中管控各子系統之間，以及與其他教務管理的子系統進行數據處理、交換、共享，將實驗室中各子系統所采集到的信息進行實時處理、分析并進行反饋。實驗室管理員通過用戶服務系統，實時掌握實驗室儀器設備、實驗室環境、教學情況等信息。

2.2.2 資產管理系統

此系統中，實驗室管理可對儀器設備和實驗器材進行調動申請、信息更新、定位跟蹤、資產維修等操作，同時資產可以自動或手動進行入庫管理，并實時更新狀態。針對資產管理，以管理員置于儀器設備上的RFID電子標簽作為信息采集和器材識別的技術紐帶，可通過實驗室出入口讀寫器對儀器設備和實驗器材自動識別，進而實時掌握儀器設備的詳細信息，在添置新的儀器設備時還可使用手持機進行手動盤點入庫。實驗設備的入庫出庫流程如圖2所示。實驗設備以及各個實驗模塊都貼有RFID的設備標簽，軟件系統可以將每個設備的ID和實驗設備型號、類型以及箱內模塊的型號進行關聯，以確保設備的有序管理。

2.2.3 集中管控系統

集中管控系統包括智能門禁控制、智能電源管理、實時監控以及智能環境監測。

門禁控制部分可實現手動刷卡開門或PC機遠程開門。另外，如果上課時間已到，實驗室門未打開，系統會向實驗室管理員發送開門提醒，以保證課程正常進行。通過門禁系統刷卡記錄可檢查教師的考勤，防止早退和遲到現象發生。

智能電源管理部分主要是電源開關控制，包括教室燈、窗簾、幕布以及空調的電源開關。可對教室的所有情況進行實時監控，并提供視頻服務接口，與教務管理系統的視頻監控系統進行對接，實現信息同步共享。

智能環境監測是集中管控系統的重要組成部分，主要實現實驗室中環境參數的實時監測，并進行相應的控制，主要包括執行單元和傳感單元兩大部分。傳感單元主要用于感知環境參數，包括濕度、溫度、水浸、光照、煙霧和人體紅外等參數的監測。執行單元則主要用于控制實驗室的相應設備動作，包括電源窗簾控制、空調遙控控制、煙霧告警控制和水浸告警控制四個部分。該應用流程如圖3所示。

實驗室配備的多種傳感器分布在房間的各個位置，當實驗室出現問題時，中央處理器和采集控制中心協同在第一時間啟動自動報警功能，并關閉具有危險的電力系統，將險情控制在第一時間。同時將實時信息反饋到實驗室管理員的實時通信設備上。

2.2.4 開放預約系統

我校近年來對在線教學模式進行了大力推廣，實驗室擁有大量優質計算機資源、配套的實驗環境和順暢的軍網接入環境，為學院自主學習提供保障。隨著在線教學的深入，已打破實驗室傳統的人工管理模式，現階段實驗室開放主要依賴于開放預約系統，該系統主要有開放和預約兩大功能模塊。

實驗室開放主要由權限級別較高的管理員進行操作，包括課表化開放和自由開放兩種模式，課表化開放根據每學期學校下發的課表進行定時開放，預留課表更新功能，來應對教學任務的變動，該模式極大地節省了人工和管理成本，實現了實驗室上課無人化管理。而自由開放則由管理員根據教學需要自定義開放規則進行開放，相比課表化開放，該模式主要用于滿足學員課下自主學習的需要，使學員的學習時間不再拘泥于課時。

預約功能主要有兩種模式，包括實驗室預約和工位預約。實驗室預約主要針對教師群體，滿足教師臨時調課或補課的需要，教師只需在該系統上預約滿足教學需要、相應時間段空閑且開放的實驗室，待管理員通過審批，就可使用該實驗室進行教學。工位預約對用戶權限沒有要求，學員可精準預約到實驗室內滿足實驗要求的工位，若該工位已被預約或占用，則預約不成功，在同一時間段內，同一學員賬號只能預約一個工位。

3 結 語

作為衡量高校教學水平和管理水平的重要標志，實驗室管理技術的智能化是大勢所趨。基于物聯網技術的實驗室管控平臺結合了本校實驗室的改進情況，改變了傳統實驗室管理模式，提高了實驗室管理水平，減輕了管理員工作負擔，實現了真正意義上實驗室管理的自動化、網絡化、信息化、智能化。該管控平臺目前處于試運行階段，部分功能已經實現，并達到了預期效果。

參考文獻

[1]楊剛，沈沛意，鄭春紅，等.物聯網理論與技術[M].北京：科學出版社，2010.

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[3]馬國勝，楊鷺怡.基于物聯網技術的軍隊院校實驗室管理探究[J].實驗室研究與探索，2015，34（3）：251-254.

[4]成小良，鄧志東.基于ZigBee規范構建大規模無線傳感器網絡[J].通信學報，2009，29（11）：158-164.

[5]王哲宇，曹寅.射頻識別技術在實驗室儀器設備管理中的應用[J].現代測量與實驗室管理，2011，19（3）：28-29.

[6]王瑾.基于物聯網的實驗室管理技術[J].電腦知識與技術（學術交流），2010（7x）：5741-5742.

[7]劉云飛，田華明，王鼎，等.軍校實驗室管理規范化研究[J].價值工程，2017，36（28）： 57-59.

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