基于物联网技术的实验室管控平台的探究

引 言

随着计算机信息化和教育数字化的实施，各高校都组建了现代化的实验室，以满足日益增长的教学要求，同时也尽量满足学生在课余时间自由上机的需求。军校实验室是我军高校进行科研和教学最重要的场所，其作为院校中三大支柱之一， 在新型军事人才的培养等方面起着无可替代的作用。因此，实验室的管理水平会直接影响高素质新型军事人才的培养。

我校近年来对在线教学模式进行了大力推广，以期对传统的教学模式进行深化改革。随着在线教学平台的逐步完善和校园网上教学资源的逐步丰富，学员在课余时间进行网上自主学习的动力得到了进一步加强。计算机实验室拥有大量的优质计算机资源和顺畅的军网接入环境，为学员自主学习和SPOC在线教学等提供了保障。随着在线教学的深入推进，实验室的日常开放日益成为实验室建设中极为重要的部分。由于人手不足、日常教学保障任务繁重等原因，目前计算机实验室的开放（特别是晚间和周末的开放）力度不够，因此，以往以人工方式预约和管理为主的手段已无法适应当前的需求。为了从根本上实现实验室管理的智能化、自动化和实时化，将目前日趋成熟的物联网技术融入并应用到其中是最佳选择。

1 物联网技术的发展与应用

物联网（Internet of Things，IoT）是指通过红外线传感器、射频识别（RFID）、激光扫描器、定位系统等信息传感设备，按照约定协议把物品和网络连接起来进行信息交换以及通信，从而实现智能化跟踪、识别、监控、定位与管理的一种物物相连网络[1]。物理网的出现打破了数据管理和物理设施间相互独立的模式，为实验室管理提供了新的方法和视角，其应用领域非常广泛。在高校实验室的管理中，应用较为广泛的是物联网核心技术中的RFID 技术。例如，麻省理工学院电子研究实验室利用EPC Gen2 无源 RFID 标签来管理和追踪上千份文件 [2]，在很大程度上提高了实验室文件的管理效率。而针对实验室智能化管理的需求，不少高校从不同角度出发，提出了许多实验室信息管理的解决方案，如机房自动管理系统、分级管理开放型机房、基于IC 卡的高校实验室智能管理系统等。但是在军队院校中，物联网技术的应用依然十分有限，就目前军队院校中实验室的管理现状来讲，基本还局限于某一领域的技术或设备的简单横向扩展，尚未注重实现更加紧密的纵向联系[3]。为此，理学院基础实验室对此进行了逐步的研究和探索，提出了基于物联网技术的实验室管控平台的建设方案，取得了一些初步的成果。

2 基于物联网技术的实验室管控平台

本文就物联网技术在军校实验室管理中的应用这个课题进行探索性分析，提出了基于物联网技术的关于实验室管控平台的初步解决方案，包括硬件系统、架构和软件系统三部分， 系统架构如图 1 所示。

借助于远端 PC 微机，可通过 军网 连接实验室管理系统的服务器，实时了解实验室的运行情况，并进行相应的控制。而物联网的无线设备接入点则共同组成 无线传感网 ，从而完成 RFID 数据和传感器的无线传输，感知实验室的运行状态，并进行相应的控制。ZigBee 网关实现了 无线传感网与以太网之间的互联，是一种短距离的无线通信技术，其底层的技术基于IEEE 802.15.4。相比于WLAN 和蓝牙具有功耗低、网络容量大等优点，并能方便地实现 Mesh 网络[4]。数据汇集到链接主接入点的PC 机，然后由实验室的管理软件来负责数据的分析和存储功能。RFID 标签是设备身份标签，用于标示实验器材和资产的身份。

2.1 硬件系统的设计

本系统的硬件设计主要包括RFID 读写系统、数据处理服务器、无线设备接入点以及中控平台等。

RFID 读写系统主要由电子标签、读写器及天线三部分构成，是一种应用在信息采集系统中的非接触式自动识别技术， 可工作在各种恶劣环境中，以识别高速运动中的物体，还可同时识别多个标签，进而快速实现物体的管理和追踪，拥有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点[2-5]。

RFID 标签用来标示设备身份，选用可以固定在设备或实验器材上的电子标签，每个电子标签的电子编码是唯一的[6]。读写器分为手持式设备和固定设备，可用于标签内信息和数据的写入与识读。当电子标签经过阅读区域时，电子标签能获得读写器通过天线发出的射频信号，借助感应电流获得的能量发送存储在芯片中物体的信息，在读写器读取信号并进行解码处理后，发送到中央处理系统进行数据处理工作。

2.2 软件系统设计

2.2.1 用户服务系统

用户服务系统作为整个软件系统的核心部分以及整个系统的入口，具有强大的数据处理和分析功能，并在场地信息、资产管理、开放预约、公共服务、集中管控各子系统之间，以及与其他教务管理的子系统进行数据处理、交换、共享，将实验室中各子系统所采集到的信息进行实时处理、分析并进行反馈。实验室管理员通过用户服务系统，实时掌握实验室仪器设备、实验室环境、教学情况等信息。

2.2.2 资产管理系统

此系统中，实验室管理可对仪器设备和实验器材进行调动申请、信息更新、定位跟踪、资产维修等操作，同时资产可以自动或手动进行入库管理，并实时更新状态。针对资产管理， 以管理员置于仪器设备上的RFID 电子标签作为信息采集和器材识别的技术纽带，可通过实验室出入口读写器对仪器设备和实验器材自动识别，进而实时掌握仪器设备的详细信息，在添置新的仪器设备时还可使用手持机进行手动盘点入库。实验设备的入库出库流程如图 2 所示。实验设备以及各个实验模块都贴有 RFID 的设备标签，软件系统可以将每个设备的ID 和实验设备型号、类型以及箱内模块的型号进行关联，以确保设备的有序管理。

2.2.3 集中管控系统

集中管控系统包括智能门禁控制、智能电源管理、实时监控以及智能环境监测。

门禁控制部分可实现手动刷卡开门或PC 机远程开门。另外，如果上课时间已到，实验室门未打开，系统会向实验室管理员发送开门提醒，以保证课程正常进行。通过门禁系统刷卡记录可检查教师的考勤，防止早退和迟到现象发生。

智能电源管理部分主要是电源开关控制，包括教室灯、窗帘、幕布以及空调的电源开关。可对教室的所有情况进行实时监控，并提供视频服务接口，与教务管理系统的视频监控系统进行对接，实现信息同步共享。

智能环境监测是集中管控系统的重要组成部分，主要实现实验室中环境参数的实时监测，并进行相应的控制，主要包括执行单元和传感单元两大部分。传感单元主要用于感知环境参数，包括湿度、温度、水浸、光照、烟雾和人体红外等参数的监测。执行单元则主要用于控制实验室的相应设备动作， 包括电源窗帘控制、空调遥控控制、烟雾告警控制和水浸告警控制四个部分。该应用流程如图 3所示。

实验室配备的多种传感器分布在房间的各个位置，当实验室出现问题时，中央处理器和采集控制中心协同在第一时间启动自动报警功能，并关闭具有危险的电力系统，将险情控制在第一时间。同时将实时信息反馈到实验室管理员的实时通信设备上。

2.2.4 开放预约系统

我校近年来对在线教学模式进行了大力推广，实验室拥有大量优质计算机资源、配套的实验环境和顺畅的军网接入环境，为学院自主学习提供保障。随着在线教学的深入，已打破实验室传统的人工管理模式，现阶段实验室开放主要依赖于开放预约系统，该系统主要有开放和预约两大功能模块。实验室开放主要由权限级别较高的管理员进行操作，包括课表化开放和自由开放两种模式，课表化开放根据每学期学校下发的课表进行定时开放，预留课表更新功能，来应对教学任务的变动，该模式极大地节省了人工和管理成本，实现了实验室上课无人化管理。而自由开放则由管理员根据教学需要自定义开放规则进行开放，相比课表化开放，该模式主要用于满足学员课下自主学习的需要，使学员的学习时间不再拘泥于课时。

预约功能主要有两种模式，包括实验室预约和工位预约。实验室预约主要针对教师群体，满足教师临时调课或补课的需要，教师只需在该系统上预约满足教学需要、相应时间段空闲且开放的实验室，待管理员通过审批，就可使用该实验室进行教学。工位预约对用户权限没有要求，学员可精准预约到实验室内满足实验要求的工位，若该工位已被预约或占用，则预约不成功，在同一时间段内，同一学员账号只能预约一个工位。

3 结 语

作为衡量高校教学水平和管理水平的重要标志，实验室管理技术的智能化是大势所趋。基于物联网技术的实验室管控平台结合了本校实验室的改进情况，改变了传统实验室管理模式，提高了实验室管理水平，减轻了管理员工作负担，实现了真正意义上实验室管理的自动化、网络化、信息化、智能化。该管控平台目前处于试运行阶段，部分功能已经实现，并达到了预期效果。