基于物聯網的高校智能化實驗室管理系統研究

馬歌

(鄭州師范學院信息科學與技術學院,河南鄭州 450044)

基于物聯網的高校智能化實驗室管理系統研究

馬歌

(鄭州師范學院信息科學與技術學院,河南鄭州 450044)

首先分析了高校實驗室的管理現狀,然后針對其存在的不足,設計了一種基于物聯網的智能化實驗室管理系統,并對各模塊的功能進行了詳細闡述。實踐表明,該系統在高校實驗室設置、使用人員管理、實驗教學管理、設備和物品管理、環境檢測等方面取得了較好的智能化效果。

物聯網 RFID 實驗室管理 智能化

1 研究意義

高校實驗室是培養理論與實踐相結合的、符合當今社會發展需要的高級人才的基地。如何提高實驗教學水平、加強實驗室管理、突出創新教育是當前高校實驗室管理面臨的一個重要課題。

目前高校實驗室多采用封閉式管理模式，各院系獨立建設、管理本學科的實驗室。實驗室過于分散，管理工作繁瑣，實驗設備和物品的儲存、維護、安全得不到保障。各實驗室之間缺少資源共享、信息互通，既不利于學生進行綜合設計型實驗，也不利于科研協作和學科滲透，阻礙了學生創新能力的培養。為此，本文設計了一種基于物聯網的高校智能化實驗室管理系統。

圖1 實驗室設置界面

圖2 實驗設備和物品管理界面

2 物聯網技術概述

從“智慧地球”理念到“感知中國”概念的提出，隨著全球一體化、工業自動化和信息化進程的不斷深入，物聯網時代悄然來臨[1]。物聯網(Internet of Things)是通過運用射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。通俗地說，物聯網就是物物相連的互聯網。

目前，物聯網的關鍵技術主要有射頻識別技術、傳感器技術、ZigBee技術等。

RFID(Radio Frequency Identifaction)即射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。RFID系統由讀寫器、電子標簽和天線組成。讀寫器包括固定式讀寫器與手持式閱讀器。

ZigBee技術是一種新興的低功耗、低成本、高容錯性的短距離通信技術。

3 基于物聯網的智能化實驗室管理系統的設計

3.1 系統整體設計方案

該系統是一個無線傳感網絡。硬件方面，預先在每間實驗室安裝門禁控制器、ZigBee無線節點、溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器。每件實驗設備、物品，實物實驗報告、作業貼有RFID標簽。每個實驗操作平臺配備手持閱讀器。軟件方面，需要在物聯網的終端安裝管理系統的軟件。

圖3 實驗室環境監測界面

3.2 系統各模塊功能

該系統由七大功能模塊組成。

3.2.1 管理員登錄

該系統軟件只允許管理員登錄后才能使用，如果不是管理員則需要先注冊。

3.2.2 網絡管理

實現網絡連接狀態的查看和設置。

3.2.3 使用人員管理

所有人員必須使用身份卡進出實驗室，門禁控制器利用射頻識別技術識別進出實驗室的人員身份，數據庫里能夠檢測到的人員能夠直接進入實驗，而臨時人員需要進行系統登記后才能進入。

3.2.4 實驗室設置

遠程控制ZigBee無線節點，對實驗室的基本信息進行日常管理，顯示實驗室的動態使用狀況。為了能給學生提供寬松的實驗條件，通過開放實驗室，學生能夠預約課余時間來做實驗。如圖1所示，根據開放日期，查看學生提交的預約申請。

3.2.5 實驗教學管理

(1)教師和學生考勤管理。當教師、學生進入實驗室，門禁控制器識別身份卡，將進入、離開的時間記錄在軟件上，實現教師、學生的自動考勤。

(2)實驗項目管理。為了規范實驗教學內容，需要教師預先錄入每門實驗課程的教學計劃、實驗大綱、多媒體教案、基礎實驗項目、綜合實訓項目、操作規程以及實驗示例等教學資源。學生隨時可以下載相關教學資源進行閱讀和操作練習，有助于提高學生自主學習的能力。

(3)實驗過程實時監控。對所有實驗室設備、物品的狀況進行監控，比如實驗過程中，哪些設備能正常使用，哪些發生故障。同時還可監控學生的實驗過程，及時發現學生學習中存在的問題，教師進行集中講解，提高學習效率。

(4)實驗作業和成績管理。實驗完成后學生可以通過該RFID技術將實物實驗報告、作業或實驗結果上傳到系統進行儲存，便于管理員、教師批改作業、統計分析學生實驗成績，當課程結束時學生能夠查看自己每次的作業成績，以及該門課程的總評成績。

(5)交流討論。實驗前，教師可以通過該模塊向學生發布實驗管理規章制度，布置實驗任務，與學生進行實驗方法的討論，增加學生與教師、學生之間的互動。

3.2.6 實驗設備和物品管理

每件實驗設備、物品貼的標簽上載有對應的編號、名稱、狀態、購置日期、維修記錄等信息，實現了信息智能儲存功能。使用人員通過手持閱讀器識別領用的設備、物品上標簽，將它們的基本信息反饋到如圖3所示的界面上，有利于實驗人員提前了解設備、物品的基本資料，還可以對它們進行定位、跟蹤，顯示使用人員身份，有效地監管了實驗設備、物品的使用狀態，防止有人將它們任意拿出實驗室。另外RFID標簽還能實現相同或不同實驗室的設備、物品間進行通信，高效地利用了資源。

3.2.7 環境監測

實驗室的環境決定了實驗物品的保存情況，比如有些實驗物品必須存放在陰涼、防潮、避光的環境中。實驗物品保存完好時，才能使實驗正常進行，獲得預期的實驗結果。因此，利用已安裝的各類傳感器進行動態實時監測，將每間實驗室的溫度、濕度以及光照情況發送到如圖3所示的系統軟件。當發現環境異常時，對空調、吊燈以及多媒體進行遠程控制。比如檢測到某間實驗室濕度不足，則自動控制空調進行濕度調整，使環境達到舒適狀態。當某間實驗室處于空閑狀態，空調、吊燈、多媒體仍然運行時，能遠程關閉，實現節能減耗。

4 結語

將物聯網技術應用于高校實驗室管理系統中，在實現智能化管理的同時，也能實現物與物、人與物的相互通信，既有助于提高管理效率，又能保障實驗室的安全。

[1]孫利民,李建中,陳渝等.物聯網[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2]劉云浩.物聯網導論[M].北京:科學出版社,2010.

馬歌,女,河南省鄭州市人,講師,碩士,主要研究方向為無線傳感器網絡。