物聯網技術在開放實驗室建設中的應用

李瑞利,黃卓忻,宋俊慷

(廣西民族師范學院,廣西 崇左 532200)

0 引言

高校的實驗室是學生、教師進行教育、學習、研究的重要場所,其管理水平能夠直接反映高校管理水平的高低,因此,提升高校實驗室的管理水平也是提升高校管理水平的關鍵所在。物聯網技術的不斷發展,為高校開放實驗室管理水平的提升、管理體系的改革和優化都具有重要意義,高校實驗室應當充分使用物聯網技術建設智慧型開放實驗室,這無論是對學生的學習還是學校的教學水平都具有重要的正面意義。

1 建設物聯網開放實驗室的目標和要求

首先,以提升學生的實踐能力為目標,將物聯網技術的高效性與智能性有效融入“智慧”開放實驗室的建設,有效提升學生的實踐能力,為學生日后就業奠定堅實的基礎,進而提升學校整體的教學水平和核心競爭力。其次,以提升教學實驗的基礎性、行業綜合應用性和提升學校開放研究實驗項目的開發性為目標,聯合多方力量,建設物聯網“智慧”開放實驗室,促進學校物聯網教學、物聯網人才的發展與培養[1]。

2 傳統實驗室存在的問題

2.1 實驗室缺乏較為完善、合理的安全管理體系

大部分高校,一個實驗室可進行多個專業的實驗,專業實驗設備繁多,且存在共用試驗臺的現象,這會加大實驗室管理人員管理難度。傳統實驗室的管理體系很難滿足現代高校教學和科研的需求,管理方案不合理,管理體制不完善、不健全,存在多種多樣的安全漏洞,若簡單地開放實驗室,有可能導致實驗器材丟失、濫用等問題,這對于學生的研究也有一定的負面影響。學校各部門均存在各司其職不肯聯合的情況,這也是導致高校實驗室管理缺乏合理性和有效性,進而導致學生和老師無法更好地在實驗室開展教學、科研等。

2.2 運營開放實驗室的難度較高

實驗室是教師與學生進行實踐教學、科學研究、準備科學競賽、培養學生創業創新能力和實踐能力的重要場所,但若實驗室只在課堂上運用,則限制了其功能,而開放實驗室能夠有效提升實驗設備的運用有效性、利用率和合理性。但隨著開放實驗室的加大使用,實驗室的實驗項目、類型和人員不斷增多,同時部分實驗室存在設備陳舊、維修不及時等問題給開放實驗室的運營加大了難度。其次,人員素質各有不同,部分專業素質較差的實驗人員可能會在實驗過程中出現操作不當,因而導致實驗器材受損,甚至引發安全事故,這也是導致開放實驗室運營難度、管理難度增加的重要因素之一[2]。

3 物聯網、云技術與“智慧”開放實驗室的關系

3.1 物聯網與開放實驗室

隨著科學技術與高校教育的不斷融合,物聯網已在智能校園、智慧校園的建設中得以廣泛運用,而將物聯網運用于開放實驗室的建設也是至關重要。物聯網技術能夠有效解決開放實驗室的運營和管理難題,也為高校的信息化管理帶來了新機遇。目前,智慧化教育發展模式已經成為教育信息化發展的必然趨勢,合理、有效地運用物聯網技術建設高校智慧型開放實驗室,為高校學生的實驗研究提供良好的研究環境,是高校實驗室管理人員需要重視的問題之一。

3.2 云技術與智慧實驗室

云技術在高校智慧型開放實驗室的建設中發揮著至關重要的作用,通過虛擬仿真平臺,實驗室管理人員能夠快速、高效地對實驗室的實驗資源進行整合。其次,云計算、大數據等數據網絡信息處理技術,能提高計算資源獲取,排除各類干擾因素,提升獲取各類研究信息的效率,自由地獲取和釋放資源,對高校智慧型開放實驗室的建設具有重要意義[3]。

4 物聯網“智慧”開放實驗室的構建框架

4.1 構建物聯網開放實驗室管理系統

實驗室開放平臺架構主要由監控系統、門禁系統、實驗設備在線預約系統、實驗設備綜合管理系統、實驗課程綜合管理與分析系統等組成,具體情況有以下幾點。

4.1.1 高校智慧型開放實驗室的監控系統建設

運用視頻攝像頭、紅外傳感器、GIS定位等設備收集、統籌實驗室場地的各類視頻數據,并進行存儲、備份、畫面分組等工作,進而實現實驗室安全預警自動化,為實驗室的安全提供堅實的保障。

4.1.2 構建開放實驗室門禁認證系統

實驗室的門禁系統應當融合學校原本的身份認證系統,將使用實驗室的各類流程融入學生、教師的校園卡、校園碼中,并采用人臉識別系統、IC卡射頻、指紋密碼系統、職能門禁系統等融入實驗室的門禁認證系統,有效驗證、保存、記錄使用實驗室的人員進出情況和實驗過程。

4.1.3 構建智慧實驗室網絡預約系統

實現在線預約,將物聯網技術與實驗室預約進行融合,結合數據分析統計系統對實驗室用戶、管理人員、儀器的預約情況和實驗室的具體情況等進行采集、監控和分析。實驗室的管理人員可以對實驗室進行在線預約 、授權、送樣審批等管理工作,這對于提升開放實驗室的管理效率具有重要意義。

4.1.4 構建智慧型開放實驗室綜合設備管理系統

綜合設備管理系統應當將開放實驗室儀器的基礎信息維護、授權維護、授權情況、預約規則、收費管理、成果管理、績效管理等融入其中,并定期對實驗室內的儀器、儀器收費情況等進行考核,進而達到提升開放實驗室的管理能力的作用。

4.1.5 構建智慧型開放實驗室綜合管理系統

系統需要達到對實驗室使用人員的實驗過程、儀器存放位置等進行實時監控,保證實驗儀器的安全性,防止操作不當而造成損失,也可更好地追究儀器損害責任。同時系統應與開放實驗室的經費、培訓、預約等多種項目進行關聯,并通過北斗定位系統對實驗儀器具體定位,既能方便管理,也能防止丟失,進而提升實驗設備的安全性。

4.2 建設物聯網實驗室開關平臺

(1)儀器設備管理控制開放實驗室是按照預約的規則開啟和關閉,顯示設備信息、使用狀態、監控等。采用ZigBee協議無線傳輸,控制電源、讀卡器等,實現刷卡對多臺儀器或同一儀器多個組件進行同時控制。通過物聯網路由器接入校園網,實現與管理平臺軟件的數據聯通。考慮某些大型實驗設備是強電壓,儀器設備管理控制端,控制電流不低于30 A,電壓不低于380 V。在網絡出現脫機情況下,控制器仍能夠根據存儲信息進行訪問控制。

(2)ZigBee無線通信技術是基于IEEE802.14.4無線標準,具有傳輸數據流量小、組網安全和GPS功能等特點。作為開放實驗室的無線通信技術選擇,ZigBee可實現對傳感節點網絡的組建和實驗設備的定位。

(3)建設高校開放實驗室共享系統。首先,需要將校內人員信息、一卡通系統、課程類型、資源信息庫、校內視頻監控系統等進行聯合。其次,開放實驗室管理系統與學校其他的實驗室管理系統進行對接、融合和共享。最后,需要解決標準的規范、中心數據庫設計、數據同步和對異常數據的處理這幾個關鍵問題,否則開放系統的環境會因這些關鍵問題而出現風險。

5 結語

物聯網技術是時代發展與科技發展孕育而出的高新網絡技術,通過物聯網技術對高校實驗室進行升級、優化,并對實驗室管理體系進行有效改革,既能降低實驗室管理人員的工作量,提升工作效率;又能為學生創建宜學、宜教、宜研的大學校園環境,為實現大學校園融合創新、透明管理、高效管理、豐富多彩、安全穩定、環保綠色開辟了一條科技化、信息化的新道路。因此,高校應當將物聯網技術充分融入開放實驗室的管理,為學校師生提供一個良好的實驗環境。