物聯網技術在實驗室管理中的應用

付曉豹 楊冰銀

摘 要：隨著物聯網技術的不斷成熟，在實驗室管理方面，可借助物聯網技術來實驗智能化管理，提高管理效率。文章通過在實驗室管理中使用到軟、硬件技術進行介紹，以實現基于物聯網技術的實驗室管理的目的。

關鍵詞：實驗室管理；物聯網技術；軟硬件

物聯網技術已成為繼計算機、互聯網、移動通信之后信息技術的又一重大創新，我國已將物聯網明確列入《國家中長期科學技術發展規劃（2006-2020年）》和2050年國家產業路線圖，2010年已把物聯網寫進《政府工作報告》，并納入我國發展物聯網的對策和建議到國家五大戰略新興產業發展規劃，意味著物聯網作為戰略新興產業已正式列入國家戰略層次。隨著互聯網+時代的到來，物聯網技術更是全面滲入各行各業中，通過物聯網技術為人們在進行控制和管理更為便捷。物聯網技術應用到高校在實驗室管理中，同樣可以提高實驗室的管理效率和實驗室的利用率。

1 當前高校實驗室管理的現狀

高校實驗室是高校教學的重要場所之一，是學生檢驗理論的平臺，是教師科研的沃土。但在實驗室管理上由于實驗設備的復雜性，一直都比較落后，與現有教學手段不相適應。當前實驗室管理的主要特點表現在以下幾點：（1）管理手段相對落后，難以適應現代大學教育的需要。大部分實驗室管理還處于手工管理階段，由管理員每天進行設備的分發與回收，造成了工作效率較低。（2）管理信息化程度較低，無法實現實驗室的開放。開放實驗室是提高實踐教學質量的重要條件之一，但由于實驗室管理信息化程度較低，無法實現真正的實驗室開放。（3）安全問題。實驗室一些小器件，經常會被學生無意帶出實驗室，造成實驗室不必要的損失。（4）各管理系統之間容易出現信息孤島。目前大部分學校都有實驗室管理系統，但各實驗室之間的數據大多互不相連，因此形成了信息孤島，從而造成實驗室資源無法充分利用[1]。

2 基于物聯網技術的實驗室簡介

基于物聯網技術的實驗室以信息智能化為核心目標，圍繞信息采集智能化、信息處理智能化、信息顯示與推送智能化全面展開。信息采集智能化是智慧實驗室的關鍵技術，是有別于數字校園的顯著特征，智慧實驗室中的信息采集智能化設備具有自組網、自診斷、自修復、不間斷運行高穩定性和高可靠性特點，能夠進行校園中的信息自動采集，減少信息采集中的人力投入，提高采集的準確信和可靠性。信息處理智能化依靠云計算的強大處理能力，對信息進行分析、處理，為決策提供有力的數據保障[2]。

3 基于物聯網技術實驗室的總體架構

基于物聯網技術的智慧實驗室要符合物聯網的3層架構，即感知層、網絡層和應用層。感知層主要是通過RFID和傳感器等硬件設備來獲取物體的信息。網絡層主要利用通信網絡與互聯網的融合，將感知層獲取的信息傳遞出去。應用層是利用感知層得到的信息和網絡層傳送的數據進行信息化處理，實現智能化識別、定位、監控和管理的功能。因此，基于物聯網技術的智慧實驗室在總體架構設計上也要符合物聯網的3層架構，如圖1所示。在感知層，主要通過各類檢測點和攝像頭作為數據采集的設備。網絡層可以通過無線通信網絡和有線通信網絡兩種方式，來實現數據的傳輸。應用層主要通過PC端或安卓手機端上的管理軟件實現對實驗室的管理和控制[3]。

4 基于物聯網技術實驗室的實施方案

對普通實驗室的改造主要從門禁、窗簾、安防、電器控制等方面進行，從而形成基于物聯網技術的實驗室。要實現智慧實驗室的功能，需要從物聯網感知層部署硬件。

（1）單路網絡視頻系統（Network Video System，NVS）網關。1路視頻，最高分辨率到 D1，支持3G手機查看和Web訪問，視頻傳輸碼流可調整，MPEG4 編碼方式，自帶ZigBee網關，支持CMRTP協議，不可實現對講及抓拍。

（2）門禁控制方面主要硬件包括門禁考勤節點、指紋門禁RFID節點。禁考勤節點主要功能有無線單刷卡門禁系統，服務器對門與卡進行統一管理，記錄開門、刷卡、考勤信息，可設定多個時段開門，也可通過遠程指令開門，具有機械可開、遠程控制、刷卡、信號反饋、呼叫等功能。指紋門禁RFID節點主要功能有無線指紋門禁系統，存儲識別1 000枚指紋，ZigBee傳輸可視距離100 m，支持CMRTP協議，具有機械可開、遠程控制、信號反饋等功能。

（3）安防控制方面包括開啟關閉布防節點、聲光報警器節點、無線門磁探測節點、幕簾式紅外檢測節點、側墻式紅外檢測節點、吸頂式紅外檢測節點、火災檢測節點、無線緊急呼叫節點。主要采用ZigBee協議來進行網絡數據傳輸。

開啟關閉布防節點的主要功能有無線遙控按鈕，對安防系統實現開啟、關閉布防。聲光報警器節點的主要功能有通過ZigBee接收NVS網關發來的信息，實現本地報警功能，嚇阻入侵者。無線門磁探測節點的主要功能有：傳感器檢測門窗的開關狀態，ZigBee接收NVS網關發來的信息。幕簾式紅外檢測節點主要應用于窗戶，檢測區域內熱釋電，通過ZigBee發送給NVS網關，對區域內的非法闖入發出報警信號。側墻式紅外檢測節點，安裝墻壁上，檢測區域內熱釋電，通過ZigBee發送給NVS網關，對區域內的非法闖入發出報警信號。吸頂式紅外檢測節點，安裝在天花板上，檢測區域內熱釋電，通過ZigBee發送給NVS網關，對區域內的非法闖入發出報警信號。ZigBee火災檢測節點，檢測區域內煙霧濃度，通過ZigBee發送給NVS網關，對區域內的火災發出報警信號。ZigBee無線緊急呼叫節點，無線緊急呼叫按鈕。

（4）實驗室控制方面。IC卡刷卡取電節點、燈光控制器節點、窗簾控制節點、光照度采集節點、RFID寫卡系統。

IC卡刷卡取電節點，無線控制電源控制器，采用ZigBee傳輸，可視距離可達到100 m，最大負載電流10 A，電壓220 V。燈光控制器節點為三路無線照明控制器。窗簾控制節點主要為無線窗簾控制控制器，具有左、右、停功能。光照度采集節點，采用APDS-9300數字光照度傳感器，實現對實驗室燈光的控制，進而實現節能的功能。RFID寫卡系統，實現刷卡取電的功能[4]。

5 基于物聯網技術實驗室的軟件設計

針對實驗室管理中的具體情況，實驗室的管理工作量大，并且不易管理，結合近幾年物聯網技術的發展、網絡速度的不斷提升、智能終端設備性能的不斷提高，使得開發基于物聯網技術實驗室成為可能。信息顯示與推送智能化，利用計算機、平板、手機等多種平臺，實現跨平臺、多途徑，將有用的信息及時、準確地推送到需要的信息管理者手中，實現信息的有效利用。因此，在基于物聯網技術實驗室系統中，應該包括以下模塊系統設置、教務管理、安全管理、設備管理、日志信息管理和使用幫助等六大模塊。其中系統設置模塊主要包括實驗室信息設定、實驗室布局設定、組織架構設定、角色設定、教師管理和學生管理。教務管理主要針對實驗室的管理而設計，是系統的主要功能，該模塊主要包括實驗中心信息、實驗設定、課程設定、實驗預約、實驗預習、排課管理、開放實驗室管理、資料上傳、實驗報告管理、留言管理、通知管理、座位管理、日程安排。安全中心模塊主要包括服務器設置、一卡通管理、照明管理、插座電源管理、智能電源管理、視頻管理、門禁管理、警報布防管理、窗簾管理。儀器管理包插儀器信息管理、儀器狀態管理、維修管理、信用管理、消耗品管理。日志管理包括系統日志、警報日志和儀器日志。信息查詢模塊包括成績查詢、實驗課表查詢。

6 結語

通過使用物聯網技術對現有實驗室進行升級，使得實驗管理人員從繁雜的實驗室管理工作中解脫出來，增加了實驗室管理的信息化程度，提高了實驗室管理的效率，同時使得各實驗室之間的信息能夠及時溝通，消除了信息孤島，提高了實驗室的利用率。

[參考文獻]

[1]王戰偉，段亞玉.高校開放實驗室管理系統的設計[J].黃河水利職業技術學院學報，2012（7）：49-52.

[2]郭宏.基于物聯網技術的智慧實驗室架構研究[J].科技展望，2017（27）：16.

[3]張靜.基于智慧校園的實驗室室管理系統研究[J].無線互聯科技，2017（6）：118-119.

[4]周愛華.物聯網技術在實驗室儀器設備管理中的運用[J].中國教育信息化，2015（5）：52-53.