基于物聯網技術的開放式物理實驗室建設

吳萍　高興茹

【摘 要】開放式物理實驗教學是當前物理實驗教學改革的必然趨勢。為適用開放式實驗教學，將物聯網技術應用于開放實驗室系統建設， 實現了物理實驗室全天候安全開放，提高了實驗室的智能化管理水平。

【關鍵詞】開放式實驗室；物聯網；實驗室建設

0 引言

為了適用開放式實驗教學，很多高校都開放物理實驗室，早期采用人工進行實驗室開放，或采用單機版的管理軟件進行開放管理，這些管理方式存在工作煩瑣，效率低下等弊端。例如，學生不能及時了解開放性實驗內容以及實驗時間的信息；學生必須到實驗室去預約，由實驗室教師登記等。近年來，隨著網絡信息技術的發展，針對開放實驗室智能化管理需求，從不同角度出發，也提出了許多開放實驗室信息管理系統方案，如機房自動管理系統等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設備管理、實驗項目管理、預約管理、系統管理、統計報表等方面，不同程度實現了實驗室的信息化管理，盡管如此，但除了計算機機房以外，其它開放普通實驗室，由于沒有計算機及網絡設備，大多存在自動化管理程度不高的問題。針對這種情況，我們將物聯網技術應用于開放實驗室的管理，利用門禁、觸屏派位、視頻監控、平板電腦終端、設備控制器與智能電源插座等，結合基于B/S結構的開放式實驗室web管理系統軟件，實現了物理實驗室全天候安全開放，提高了開放實驗室的智能化管理水平。

1 物聯網技術

物聯網是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，獲取各種應用需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。物聯網的體系架構由感知層、網絡層和應用層組成。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，它的主要作用是識別物體、采集信息。網絡層主要作用是進行信息和數據的傳輸，主要利用現有的比較成熟的計算機網絡技術及移動通信技術。應用層主要作用是將感知層采集到的信息和數據進行分析處理，在實際的環境中進行應用，是物聯網和用戶（人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求相結合，實現物聯網的智能應用，如智能電網、智能交通、智能醫療等應用。硬件系統主要集中在感知層和網絡層、軟件系統主要集中在應用層，其中可能用到一些中間件技術、系統集成技術等。從物聯網的體系架構可看出，物聯網從感知信息，傳輸信息，到處理應用信息用到了若干技術，也涉及到許多硬件和軟件，物聯網是一個綜合性的概念和提法。

2 硬件建設

基于物聯網技術的開放式物理實驗室管理系統硬件支撐平臺如圖1所示。其中，開放式物理實驗室系統的服務器是根基，所有的硬件連接和很多軟件系統都集中在這個服務器上，服務器接入校園網。視頻監控系統、門禁系統、短信貓和觸屏派位系統直接與服務器連接，平板電腦終端通過校園無線網絡與服務器連接，所有的數據存儲在磁盤陣列中。實驗室中的各個設備的電源通過電源控制器經過集線器、轉換器與觸摸屏的串口連接。

硬件建設首先要對原有實驗室基礎設施（主要為強電、弱電、網絡改造）進行基本改造，然后增加監控、門禁、物聯網終端等硬件設備，整合原有教學系統軟件，進行軟硬件系統集成。具體建設內容有：（1）基礎設施改造：對實驗室進行弱電、網絡改造。要在門、實驗臺、監控點布設弱電及網絡線路，為開放式實驗室的建設提供基本的網絡環境。（2）可視對講監控系統：在實驗室安裝監控攝像頭和對講終端。同時建設對講監控服務設備，包含網絡硬盤錄像機、交換機、監控專用硬盤，保障監控系統的高效、安全、穩定運行。（3）門禁：在實驗室和樓層的走廊端安裝門禁。（4）觸控派位機：安裝觸控派位機。在實驗樓每層的走廊口安裝一臺派位機，配合開放式實驗室web管理系統軟件用于學生刷卡、信息查詢等。（5）觸控控制器：安裝觸控控制器。每臺觸控派位機配置1臺觸控控制器，用于觸控派位機與設備控制器的通信。（6）設備運行控制器：安裝設備運行控制器。每個實驗臺配置1臺設備控制器，作為開放式實驗室管理系統的物聯網控制終端，用于實驗臺電源遠程控制、數據傳輸。（7）短信貓：配置1臺短信貓，安裝在服務器上。用于開放式實驗室預警信息、提示信息等發布。（8）PAD客戶端：建設pad客戶端。Pad客戶端的建設將實現整個開放式實驗室管理系統跨平臺使用，支持移動終端服務。使學生、教師能隨時隨地，方便快捷的使用系統。

3 軟件系統組成

基于物聯網技術的開放式物理實驗室管理軟件平臺由實驗室WEB管理系統、觸摸屏系統、視頻監控系統和平板電腦系統組成。WEB管理系統是開放式實驗室管理軟件系統的重要組成部分，是整個系統的基礎。結合實驗室開放實際需要，具有各種功能，包括：學生預約實驗、實驗室拓撲管理、預約信息管理、通知公告管理、預約規則管理、校園卡掛失管理、數據統計。本系統采用物聯網技術，通過刷卡啟動電源控制器控制實驗臺電源從而達到開放使用的目的。系統細化各項管理，進一步提高了實驗教學的開放性和交互性；為學生提供了一個自主的學習環境，為教師的開放教學提供了有力的基礎支持；為提高實驗儀器設備的利用率提供了更安全和便捷的保障。觸摸屏系統又稱為“電源控制子系統”，是開放式實驗室管理軟件系統的核心組成部分。開放式實驗室管理面臨的重大挑戰是安全的問題，這其中首當其沖的就是用電的安全。通過電源控制子系統的學生座位電源控制模塊實現對學生用電的管理，是保證開放式實驗室安全的重要手段。電源控制子系統是通過管理柜員機（觸摸屏）和座位電源控制單元等硬件設施，實現實驗室座位的電源管理。觸控系統配置微型攝像頭，實現學生派位時照相功能，可有效的防止學生替代刷卡派位的現象發生。大屏幕觸控顯示屏可高清晰的顯示學生的彩色照片。整個電源控制系統主要面向兩個角色：學生和教師（管理員）。學生通過所持校園卡，請求使用實驗室座位，系統根據教師（管理員）定義的規則（排位規則），為學生分配座位，并自動啟動電源。在完成實驗后，通過刷卡關閉相應的電源。教師（管理員）用戶通過系統登錄，在權限允許的條件下，遠程單獨或批量控制實驗室所有電源。教師通過視頻監控系統可在遠端查看實驗室情況，了解就位學生的信息，通過視頻觀察學生實驗狀態與視頻答疑。學生通過座位對講實時與教師就實驗問題進行討論。平板電腦系統是一套給實驗室管理者使用的便捷的APP客戶端系統（PAD），旨在提高開放式系統的使用便捷性，使管理層工作效率更加高效，從而更好的為本單位的開放實驗教學服務。平板電腦系統最重要的是統計功能。很多學校每年都要進行一次實驗室自評工作，工作量較大而且數據無依據，很多數據都是臨時“造”出來的。此統計功能可以根據實驗室或設備在過去一年或多年的使用記錄自動匯總成統計報表，省時省力且數據真實。

4 建設取得的成效

我校從2013年開始進行開放式物理實驗教學改革和配套實驗室的建設，目前實驗室實現了全天候開放、遠程控制和智能化管理，學生通過網上預約，刷卡（支持校園卡）進入實驗室，在派位成功的實驗臺實驗。基于物聯網技術的開放式實驗室建設已取得了一些成效，如：（1）全面開放實驗教學資源，提高實驗室、實驗儀器的利用率；（2）打破上課開門、下課關門的模式，為學生提供開放式教學服務，給學生提供自主學習環境；（3）保障實驗室安全的同時，提高教學質量；（4）提高實驗室管理水平，為領導進行實驗室建設規劃時提供真實數據作為決策依據。

【參考文獻】

[1]孫其博，劉杰.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

[2]宋國利，蓋功琪，蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29（2）：91-93.

[3]王為，王春潮.關于開放式實驗室建設的思考與探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：272-273.

[責任編輯：楊玉潔]