基于物聯網技術的高校實驗室管理系統應用研究

范山崗　沈建華

摘 要 隨著互聯網技術的發展，高等院校的實驗室管理系統已經初步實現信息化管理，實驗室預約、統計等功能已經在網絡上運行，但是實驗室的管理過程仍有許多環節需要管理員的介入，自動化和智能化程度不高。本文探討了基于物聯網技術的智能化及無人值守實驗室管理系統及其應用，為高校實驗室信息化管理提出新的思路。

關鍵詞 實驗室管理系統 物聯網 智能化

中圖分類號：G647 文獻標識碼：A

0引言

我國高等教育已經進入新的發展階段，以產出導向（OBE）模式等為代表的人才培養模式正在得到越來越多的業界認可。與此同時，隨著越來越多的高校重視工程教育專業認證及新工科的推進，高校和用人單位對學生的動手能力、工程應用的能力和創新能力越來越重視。在這個大背景下，為培養學生的相應能力，高校對實踐教學和創新能力培養愈發重視，這就對實驗室的建設和管理提出了更高的要求。

高校實驗室最早多采用人工管理模式，實驗室的運行維護基本為人工負責。近年隨著互聯網的發展，很多實驗室建立了網站，進行開放預約和信息公示。隨著國家級和省級實驗教學示范中心的建設，不少高校已經初步實現了實驗教學管理的網絡化和信息化。但與目前不斷發展的需求相比，仍然缺乏高度智能化、自動化，適應靈活多樣的實踐教學及創新活動的實驗室智能化管理系統。本文介紹了南京郵電大學結合自身專業特點，開展的基于物聯網技術的實驗室管理系統研究與建設的實踐。

1實驗室管理系統分析

我校是電子信息類高校，實驗室主要承擔全校學生專業基礎課實驗和通信、網絡專業課實驗保障工作，實驗過程中要用到電腦、專業軟件、實驗箱、開發板、常用電子儀器儀表等資源，需要為各課程分配實驗室和各種實驗資源，做到有效合理、充分利用。

同時實驗室管理人員要面對全校師生進行實驗室預約登記，合理分配實驗室和設備，并在預約時間開發實驗室，準備耗材、實驗箱、網絡等所需的軟硬件和實驗環境。實驗過程中統計學生出勤率、設備利用率等參數，還要保障實驗室安全可控，統計故障設備，修理等。教師和學生在實驗室申請、設備預約環節；實驗室管理人員在預約登記和日常管理環節；教學管理人員在事后的考勤、使用率等數據統計環節都要耗費大量精力。人工參與日常管理下實驗室的利用效率偏低，師生使用也不方便。

為更好保證實驗教學，我校進行基于物聯網的實驗室管理系統嘗試，將實驗老師和管理人員從低效的日常管理中解放出來，進行實驗設計、效果評估等更有價值的工作中來，為此提出建設全自動化實驗室管理系統。

2實驗室管理系統設計

為了真正實現智能化，無人化，系統需要從實驗的參與人員、所需實驗室、所需軟硬件和實驗室運行管理等幾個方面出發，在數據獲得部分對接學校已有系統，獲得實驗安排、人員名單、聯系方式；在日常管理部分引入物聯網技術，使門禁管理、電源管理和集中監控部分都實現無人化；在軟件管理部分引入虛擬化、資源化技術，根據實驗內容動態分配所需軟件環境。為此實驗室管理系統分成如圖1所示，由管理系統門戶、電源管理、門禁管理、軟件管理和監控管理模塊組成。

其中實驗室管理系統門戶：是所有功能的展示臺，采用B/S架構，負責對外展示和進行系統交互，日常自動從教務獲得實驗安排、分配實驗室，同時對外提供課程預約，所有師生都可以提交資源占用預約，可以是座位量級的用于開放實驗，可以是實驗室量級的用戶課程實驗；實驗過程中系統自動記錄基礎數據，結束后向老師主動推送考勤數據；實驗過程中師生可以提交故障報修，管理人員可以維修或響應；管理日志用戶實驗室本身管理工作的安排和記錄；同時基礎數據維護和實驗室基礎管理功能也在門戶網站中。

電源管理模塊：是基于物聯網的工業級電源工程，機房有主控模塊，各實驗室使用嵌入式的智能空開，支持以太網連接和電力載波連接，實驗臺使用基于單片機的可通信開關，能根據主控的命令按實驗室或實驗臺來控制電力開關。

門禁管理模塊：采用非接觸式NFC卡為憑證，各房間安裝電子門禁，對接學校的一卡通系統，師生可以在授權時間方便進出實驗室，系統同時記錄刷卡記錄，作為打卡或考勤基礎數據。

軟件管理模塊：因為實驗室承擔課程較多，使用專業軟件有些非常耗費資源，因此根據實驗需要做成多個操作系統和軟件不同組合，生成映象，根據不同實驗加載不同的系統，生成合適的實驗環境。

監控模塊：實驗室視頻監控系統，整合在門戶中，可以做到實驗過程可監測，實驗室運行狀態可檢測，既可以做教學輔助，也是可以做安全的監控。

3實驗室管理系統運行

系統首先從教學教務系統獲得教學任務安排，獲得實驗課教師、學生安排，從一卡通系統獲得師生的校園卡信息，從智慧校園系統獲得老師和同學的聯系方式。然后根據教學安排，自動分配實驗室，在師生來做實驗時，系統自動準備軟件環境，開放門禁系統和供電系統。在實驗過程中對外提供實驗過程視頻，并記錄實驗考勤數據。實驗結束后自動關閉供電系統和門禁，并向老師提供考勤數據。

從而在實驗數據獲得+實驗室分配、實驗軟件準備、實驗室開放、實驗過程監控和實驗室關閉等五個個環節都實現無人值守（如圖2）。實驗室管理員不用在供電、軟件準備、門禁等日常方面再投入精力，老師對于教學計劃內的實驗不用預約、不用等待，師生僅在需要調整實驗安排或進行開放實驗時才需要登錄門戶，自己提交資源申請。這樣也極大方便老師和學生使用實驗室。

4結束語

經過一年的建設和試運行，現在基于物聯網的實驗室管理系統已經投入使用，在實驗室管理和廣大師生中都獲得一致好評，成為基于物聯網應用的先進實驗室。后續實驗室將進一步應用基于圖像分析的人工智能技術，建設基于人臉識別的考勤和門禁系統，引入實驗過程視頻的智能分析和耗材的自動發放回收。朝著提升實驗室使用的便利性和提高實驗器材利用率的方向，繼續深入探索實驗室智能化的無人值守技術。

基金項目：江蘇高校品牌專業建設項目（ PPZY2015A034），江蘇省高等教育教改重點項目（ 2015JSJG027），南京郵電大學教學改革重點課題（JG00215JX56， JG00215JX01， JG00215JX54）。

作者簡介：范山崗（1980-），男，江蘇南京人，碩士，助教，主要從事實驗室建設與實驗教學工作。通訊作者：沈建華（1972-），男，江蘇江陰人，博士，教授，南京郵電大學通信與信息工程學院副院長，信息與通信工程國家級實驗教學中心副主任，主要從事實驗室建設、實驗教學和管理工作。

參考文獻

[1] 吳文華，楊慶，沈新元等.智能實驗室管理系統下的實驗室開放管理[J].實驗技術與管理，2011（02）：172-176 + 197.

[2] 張繼霞，彭紹春，蘭山等.高校實驗室隊伍的“5P”建設模式[J].實驗技術與管理，2012，29（03） ： 344-347.

[3] 柴鈺.大學生自主管理的開放創新實驗室模式[J].實驗室研究與探索.2012，31（01）：82-85.

[4] 王成勇，周慧杰，朱曉勇.基于科研項目驅動的大學生創新能力培養新途徑[J].高教論壇，2011（10）：23-26.endprint