物聯網技術在高校智慧實驗室構建中的應用

賈維丁

摘 要 隨著高校的逐年擴招，高校學生人數幾何式的倍增，高校實驗室規模也跟著擴大了。實驗室日常管理靠傳統人工式的管理勞動強度大、工作效率低、工作誤差大。結合當前高校實驗室中的實際情況，以先進的管理理念為指導，要建設一所現代化的智慧校園，智慧實驗室是智慧校園的重要組成部分。本文介紹了物聯網技術在智慧實驗室中的應用與實現。該系統包擴教學管理、開放管理、學生管理、教師管理、實驗課程管理與實驗項目管理、儀器設備管理與實驗耗材管理；該系統幫助實驗室工作人員提高管理效率，提升服務質量。

【關鍵詞】物聯網 高校實驗室 智慧校園

1 高校實驗室管理中存在的問題

1.1 實驗室人員隊伍和結構建設的速度遠遠跟不上實驗室建設的速度

政府部門或者學校投資方花費大量資金投入了實驗室設備，大量的高精尖的設備也進入了高校實驗室。比如我校在2013年開始建設實驗室，專業的新增導致在校生的規模急劇擴大，專業結構劃分越細，實驗室的數量種類也在急劇增加，實驗人員只限于忙于計劃內開設的實驗教學內容，導致一些設備資源嚴重閑置，設備利用率不高。在高校實驗隊伍得不到應有的重視，很少有外出培訓提升的機會，只能靠自己慢慢摸索來提升自己，在職稱評定、項目申請、科學研究等很少有機會來提升自己。就目前我校這種模式下實驗人員存在學歷偏低，職稱偏低，缺乏一些高素質人才的加入。

1.2 實驗室安全隱患多

隨著實驗室開課任務的增加，專職實驗老師無法應對大量的學生，在實驗操作過程中，老師無法顧及到每一個學生，大量的學生沒有按照操作流程來進行實驗，有部分實驗項目對實驗室財產和人身安全有一定的危險性。長期的非正規操作，使得很多學生沒有養成良好的實驗素養，使得儀器的損壞率故障率越來越高。

1.3 實驗室管理水平落后

近年來，各高校加大了實驗力度的建設，中央與地方共建實驗室經費、校企共建實驗室經費、“211”工程建設經費、國家重點實驗室經費等投入了巨資。實驗設備規模在飛速發展，但是大多數高校實驗室管理人員還是采用傳統的管理方式，陳舊的管理理念，僵化的管理制度，并沒有跟隨時代的步伐。

2 智慧實驗室

智慧實驗室必然以信息技術應用為主線，在未來，借助物聯網、云計算、大數據、智能化控制和移動互聯等信息技術，通過感知、物聯、智能化的方式，將高校實驗室中的物理基礎設施、信息基礎設施、學習生活基礎設施和科研基礎設施連接起來，達到智能自動化管理和監控，保障實驗室的安全，創造一個綠色環保、低碳低耗、智能舒適的實驗環境。同時，通過這些最新前沿技術的應用，升級現有的校園網絡設施，結合一卡通系統，以校園微信公眾號和校園門戶網站為平臺入口，實現與智慧校園的數據融合、服務融合和網絡融合。

2.1 物聯網技術與智慧實驗室

近年來物聯網技術已經廣泛應用于智慧城市與智慧校園建設，將物聯網技術應用于高校實驗室管理，可以有效地解決高校實驗管理存在的問題，也為全面提升高校信息化管理水平帶來了新的機遇，高校實驗室的智慧化已經成為未來高校實驗室建設的必然趨勢。

物聯網是通過射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備。按約定的協議，把物品與網絡連接起來進行信息交換和通信，以現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。以物聯網技術打造智慧校園建設.為高校智慧學習環境構建帶來了誘人的機遇和挑戰，智慧教育成為全國教育信息化的發展方向。

2.2 云技術與智慧實驗室

云技術是一種虛擬化技術，云技術可以在一些計算機類實驗室中發揮出很多優勢。虛擬仿真平臺的建設也是智慧實驗室建設的重要組成部分，虛擬實驗平臺面向全校，充分考慮多種技術的融合，以實現全校虛擬實驗資源的整合。云計算是一種能夠通過網絡以便利、按需的方式獲取計算資源（包括網絡、服務器、存儲、應用和服務等）并提高其可用性的模式，這些資源來自一個共享的、可配置的資源池，并能夠以簡便和無人干預的方式獲取和釋放資源。云平臺建設是將實驗室的資源虛擬化，使用云終端、云系統、云服務器、云存儲。整合機房所有的IT資源，提高利用率；將所有的教學資源都由‘云來提供，隨時隨地可以獲取；降低硬件的采購；并且可以實現資源共享，比如一些正版的專業實驗軟件，由于版權等因素只能是一些實驗室內部計算機可以使用，使得一些需要學習的人收到了時間和空間的限制，但是使用虛擬云技術，只要在一些終端設備登錄云客戶端，就可以為學生或者老師提供多樣化的學習資源。

3 智慧實驗室的管理系統構架

物聯網技術是構建智慧校園的關鍵技術，由于民辦高校實驗室建設資金有限，智慧實驗室的構建要考慮系統的可擴展性，預留智慧實驗室的擴建接口。參考物連網的三層體系結構，本文構建了智慧實驗的架構模型如圖1所示。

3.1 基于RFID的實驗室設備資產管理系統

基于RFID系統的管理主要包括有固定資產的管理和低值易耗品的管理，學校對固定資產進行打標，利用RFID技術可以對固定資產進行定位，固定資產的管理包括設備增刪、查詢、借用、維修、統計、定位等，低值易耗品的管理包括查詢、領用、統計等。

3.2 基于ZigBee的智慧實驗室的數據監測系統無線傳感網絡是當今國際前沿研究的熱點領域

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低成本的雙向無線通信技術，系統由傳感器節點、路由節點、中心節點和上位機監測平臺組成。系統主要包括CPU、ZigBee模塊、RFID模塊、串口、傳感器模塊和門禁模塊等。ZigBee終端節點負責實驗室環境現場數據的采集，通過實驗室監測系統實現實驗室信息管理的智慧化，并對協調器傳輸的數據進行處理。

3.3 實驗室智能視頻監控系統

常規的視頻監控僅能提供視頻的捕獲、存儲、回放等功能，很難起到預警和報警作用。實驗室智能視頻監控系統的主要由三部分組成：攝像頭，智能檢測模塊，移動通信模塊。智能監管系統主要包括實驗室地圖、視頻監控系統、門禁系統巡視系統、對講呼叫系統、緊急報警系統，智能預警系統主要包括應急預警、危險實驗室預警、門窗預警、實驗人員預警、用電預警、安全預警情況查詢等功能 。

3.4 開放實驗室預約系統

實驗室教學通過驗證性實驗雖然能加深學生對理論知識的掌握和理解，但不能夠培養學生的創新思維，而開放式實驗室有利于以學生為本，激發學生的學習、動手科研興趣，主學習，培養出創新型人才和應用型人才。

師生通過網上預約實驗。使實驗員開放實驗室非常方便實驗安排更加科學合理。開放實驗室預約系統包括權限管理、預約管理、查詢管理、門禁管理、審批管理等功能，預約管理主要是實現預約申請、預約審核、實驗進度等，查詢主要是查詢實驗室類別、實驗項目、設備狀況、預約狀況等。這樣實驗室人員從傳統的“看門人”變成技術管理人，節省出更多的時間來指導學生實驗和進行科研，還能把實驗室人員從繁瑣的事物中解放出來。

3.5 實驗室智能水電管理系統

水電管理系統對于院校實現水電管理系統化、智能化、節約化具有非常現實的意義。水電智能管理系統可以通過控制中心的計算機進行軟件操作，利用軟件控制實驗室內的各個水電控制繼電器，再由繼電器控制水電的通道開關，進而實現由水電智能管理系統控制中心控制所有實驗室內的電器開關和水閥開關。利用水電智能管理軟件可以對校園內電器及水閥進行智能化管理，譬如：在規定時間內控制給水、控制停水、控制給電、控制停電等，所有操作由系統完成。

3.6 實驗教學信息系統

該系統主要面向全院師生，包括學生管理、教師管理、實驗課程管理與實驗項目管理。比如我校使用的北京郵電大學的虛擬實驗系統平臺，結合該平臺進行二次開發，進行虛實結合，變成一套管理兼教學的綜合實驗信息系統。實驗課教學是由教師對實驗項目庫進行管理， 通過實驗教學流程管理， 從實驗項目庫中選擇不同的實驗項目構成各門實驗課程 ，并由各課程教師負責網絡課堂的管理。學生提交實驗方案的設計實驗課程， 使用設計實驗方案管理模塊 。在實驗課開始前應用助教申請模塊 ，篩選確定各實驗課程的助教名單， 在實驗課結束后，應用教學評估模塊，對教學教師 、助教 、實驗室工作人員 、實驗課內容、硬件設施等各方面開展評估分析。平時可使用內容管理模塊， 展示整個教學單位從教學到管理全方位的信息。

4 結論

基于物聯網的智慧實驗室的建立，徹底改變了以往實驗室粗放的管理模式，實驗室的管理觀念也得到改變，通過系統的實施，規范了實驗教學管理，不僅提高了實驗室管理人員的工作效率和服務水平，也提高了實驗室設備的利用率和設備維修及耗材資金的使用效益，系統中的原始資料和基礎數據也為實驗室開展評估提供了重要的依據。

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