基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管控平臺的探究

張青　田俊杰　施琴　徐劼

摘 要：結(jié)合實驗室管理改革的實際情況，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到軍校實驗室管理工作中，改變傳統(tǒng)實驗室的管理模式。從管控平臺的整體構(gòu)架入手，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能管控平臺的構(gòu)建方案，分析了硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗室的開放預(yù)約管理、集中管控管理、資產(chǎn)管理等功能。實踐證明，該管控平臺提高了實驗室的管理水平，減輕了管理員的工作負(fù)擔(dān)，真正實現(xiàn)了實驗室管理的網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化、信息化。

關(guān)鍵詞：實驗室管理；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；開放預(yù)約；信息化

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

隨著計算機信息化和教育數(shù)字化的實施，各高校都組建了現(xiàn)代化的實驗室，以滿足日益增長的教學(xué)要求，同時也盡量滿足學(xué)生在課余時間自由上機的需求。軍校實驗室是我軍高校進行科研和教學(xué)最重要的場所，其作為院校中三大支柱之一，在新型軍事人才的培養(yǎng)等方面起著無可替代的作用。因此，實驗室的管理水平會直接影響高素質(zhì)新型軍事人才的培養(yǎng)。

我校近年來對在線教學(xué)模式進行了大力推廣，以期對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行深化改革。隨著在線教學(xué)平臺的逐步完善和校園網(wǎng)上教學(xué)資源的逐步豐富，學(xué)員在課余時間進行網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)的動力得到了進一步加強。計算機實驗室擁有大量的優(yōu)質(zhì)計算機資源和順暢的軍網(wǎng)接入環(huán)境，為學(xué)員自主學(xué)習(xí)和SPOC在線教學(xué)等提供了保障。隨著在線教學(xué)的深入推進，實驗室的日常開放日益成為實驗室建設(shè)中極為重要的部分。由于人手不足、日常教學(xué)保障任務(wù)繁重等原因，目前計算機實驗室的開放（特別是晚間和周末的開放）力度不夠，因此，以往以人工方式預(yù)約和管理為主的手段已無法適應(yīng)當(dāng)前的需求。為了從根本上實現(xiàn)實驗室管理的智能化、自動化和實時化，將目前日趨成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入并應(yīng)用到其中是最佳選擇。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）是指通過紅外線傳感器、射頻識別（RFID）、激光掃描器、定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議把物品和網(wǎng)絡(luò)連接起來進行信息交換以及通信，從而實現(xiàn)智能化跟蹤、識別、監(jiān)控、定位與管理的一種物物相連網(wǎng)絡(luò)[1]。物理網(wǎng)的出現(xiàn)打破了數(shù)據(jù)管理和物理設(shè)施間相互獨立的模式，為實驗室管理提供了新的方法和視角，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在高校實驗室的管理中，應(yīng)用較為廣泛的是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)中的RFID技術(shù)。例如，麻省理工學(xué)院電子研究實驗室利用EPC Gen2無源RFID標(biāo)簽來管理和追蹤上千份文件[2]，在很大程度上提高了實驗室文件的管理效率。而針對實驗室智能化管理的需求，不少高校從不同角度出發(fā)，提出了許多實驗室信息管理的解決方案，如機房自動管理系統(tǒng)、分級管理開放型機房、基于IC卡的高校實驗室智能管理系統(tǒng)等。但是在軍隊院校中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用依然十分有限，就目前軍隊院校中實驗室的管理現(xiàn)狀來講，基本還局限于某一領(lǐng)域的技術(shù)或設(shè)備的簡單橫向擴展，尚未注重實現(xiàn)更加緊密的縱向聯(lián)系[3]。為此，理學(xué)院基礎(chǔ)實驗室對此進行了逐步的研究和探索，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管控平臺的建設(shè)方案，取得了一些初步的成果。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管控平臺

本文就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軍校實驗室管理中的應(yīng)用這個課題進行探索性分析，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)于實驗室管控平臺的初步解決方案，包括硬件系統(tǒng)、架構(gòu)和軟件系統(tǒng)三部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

借助于遠(yuǎn)端PC 微機，可通過“軍網(wǎng)”連接實驗室管理系統(tǒng)的服務(wù)器，實時了解實驗室的運行情況，并進行相應(yīng)的控制。而物聯(lián)網(wǎng)的無線設(shè)備接入點則共同組成“無線傳感網(wǎng)”，從而完成RFID數(shù)據(jù)和傳感器的無線傳輸，感知實驗室的運行狀態(tài)，并進行相應(yīng)的控制。ZigBee網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了“無線傳感網(wǎng)”與以太網(wǎng)之間的互聯(lián)，是一種短距離的無線通信技術(shù)，其底層的技術(shù)基于IEEE 802.15.4。相比于WLAN和藍(lán)牙具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，并能方便地實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)[4]。數(shù)據(jù)匯集到鏈接主接入點的PC機，然后由實驗室的管理軟件來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和存儲功能。RFID 標(biāo)簽是設(shè)備身份標(biāo)簽，用于標(biāo)示實驗器材和資產(chǎn)的身份。

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括RFID讀寫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、無線設(shè)備接入點以及中控平臺等。

RFID讀寫系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器及天線三部分構(gòu)成，是一種應(yīng)用在信息采集系統(tǒng)中的非接觸式自動識別技術(shù)，可工作在各種惡劣環(huán)境中，以識別高速運動中的物體，還可同時識別多個標(biāo)簽，進而快速實現(xiàn)物體的管理和追蹤，擁有可靠性高、保密性強、方便快捷等特點[2-5]。

RFID標(biāo)簽用來標(biāo)示設(shè)備身份，選用可以固定在設(shè)備或?qū)嶒炂鞑纳系碾娮訕?biāo)簽，每個電子標(biāo)簽的電子編碼是唯一的[6]。讀寫器分為手持式設(shè)備和固定設(shè)備，可用于標(biāo)簽內(nèi)信息和數(shù)據(jù)的寫入與識讀。當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過閱讀區(qū)域時，電子標(biāo)簽?zāi)塬@得讀寫器通過天線發(fā)出的射頻信號，借助感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲在芯片中物體的信息，在讀寫器讀取信號并進行解碼處理后，發(fā)送到中央處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理工作。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 用戶服務(wù)系統(tǒng)

用戶服務(wù)系統(tǒng)作為整個軟件系統(tǒng)的核心部分以及整個系統(tǒng)的入口，具有強大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，并在場地信息、資產(chǎn)管理、開放預(yù)約、公共服務(wù)、集中管控各子系統(tǒng)之間，以及與其他教務(wù)管理的子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、交換、共享，將實驗室中各子系統(tǒng)所采集到的信息進行實時處理、分析并進行反饋。實驗室管理員通過用戶服務(wù)系統(tǒng)，實時掌握實驗室儀器設(shè)備、實驗室環(huán)境、教學(xué)情況等信息。

2.2.2 資產(chǎn)管理系統(tǒng)

此系統(tǒng)中，實驗室管理可對儀器設(shè)備和實驗器材進行調(diào)動申請、信息更新、定位跟蹤、資產(chǎn)維修等操作，同時資產(chǎn)可以自動或手動進行入庫管理，并實時更新狀態(tài)。針對資產(chǎn)管理，以管理員置于儀器設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽作為信息采集和器材識別的技術(shù)紐帶，可通過實驗室出入口讀寫器對儀器設(shè)備和實驗器材自動識別，進而實時掌握儀器設(shè)備的詳細(xì)信息，在添置新的儀器設(shè)備時還可使用手持機進行手動盤點入庫。實驗設(shè)備的入庫出庫流程如圖2所示。實驗設(shè)備以及各個實驗?zāi)K都貼有RFID的設(shè)備標(biāo)簽，軟件系統(tǒng)可以將每個設(shè)備的ID和實驗設(shè)備型號、類型以及箱內(nèi)模塊的型號進行關(guān)聯(lián)，以確保設(shè)備的有序管理。

2.2.3 集中管控系統(tǒng)

集中管控系統(tǒng)包括智能門禁控制、智能電源管理、實時監(jiān)控以及智能環(huán)境監(jiān)測。

門禁控制部分可實現(xiàn)手動刷卡開門或PC機遠(yuǎn)程開門。另外，如果上課時間已到，實驗室門未打開，系統(tǒng)會向?qū)嶒炇夜芾韱T發(fā)送開門提醒，以保證課程正常進行。通過門禁系統(tǒng)刷卡記錄可檢查教師的考勤，防止早退和遲到現(xiàn)象發(fā)生。

智能電源管理部分主要是電源開關(guān)控制，包括教室燈、窗簾、幕布以及空調(diào)的電源開關(guān)。可對教室的所有情況進行實時監(jiān)控，并提供視頻服務(wù)接口，與教務(wù)管理系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)信息同步共享。

智能環(huán)境監(jiān)測是集中管控系統(tǒng)的重要組成部分，主要實現(xiàn)實驗室中環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，并進行相應(yīng)的控制，主要包括執(zhí)行單元和傳感單元兩大部分。傳感單元主要用于感知環(huán)境參數(shù)，包括濕度、溫度、水浸、光照、煙霧和人體紅外等參數(shù)的監(jiān)測。執(zhí)行單元則主要用于控制實驗室的相應(yīng)設(shè)備動作，包括電源窗簾控制、空調(diào)遙控控制、煙霧告警控制和水浸告警控制四個部分。該應(yīng)用流程如圖3所示。

實驗室配備的多種傳感器分布在房間的各個位置，當(dāng)實驗室出現(xiàn)問題時，中央處理器和采集控制中心協(xié)同在第一時間啟動自動報警功能，并關(guān)閉具有危險的電力系統(tǒng)，將險情控制在第一時間。同時將實時信息反饋到實驗室管理員的實時通信設(shè)備上。

2.2.4 開放預(yù)約系統(tǒng)

我校近年來對在線教學(xué)模式進行了大力推廣，實驗室擁有大量優(yōu)質(zhì)計算機資源、配套的實驗環(huán)境和順暢的軍網(wǎng)接入環(huán)境，為學(xué)院自主學(xué)習(xí)提供保障。隨著在線教學(xué)的深入，已打破實驗室傳統(tǒng)的人工管理模式，現(xiàn)階段實驗室開放主要依賴于開放預(yù)約系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有開放和預(yù)約兩大功能模塊。

實驗室開放主要由權(quán)限級別較高的管理員進行操作，包括課表化開放和自由開放兩種模式，課表化開放根據(jù)每學(xué)期學(xué)校下發(fā)的課表進行定時開放，預(yù)留課表更新功能，來應(yīng)對教學(xué)任務(wù)的變動，該模式極大地節(jié)省了人工和管理成本，實現(xiàn)了實驗室上課無人化管理。而自由開放則由管理員根據(jù)教學(xué)需要自定義開放規(guī)則進行開放，相比課表化開放，該模式主要用于滿足學(xué)員課下自主學(xué)習(xí)的需要，使學(xué)員的學(xué)習(xí)時間不再拘泥于課時。

預(yù)約功能主要有兩種模式，包括實驗室預(yù)約和工位預(yù)約。實驗室預(yù)約主要針對教師群體，滿足教師臨時調(diào)課或補課的需要，教師只需在該系統(tǒng)上預(yù)約滿足教學(xué)需要、相應(yīng)時間段空閑且開放的實驗室，待管理員通過審批，就可使用該實驗室進行教學(xué)。工位預(yù)約對用戶權(quán)限沒有要求，學(xué)員可精準(zhǔn)預(yù)約到實驗室內(nèi)滿足實驗要求的工位，若該工位已被預(yù)約或占用，則預(yù)約不成功，在同一時間段內(nèi)，同一學(xué)員賬號只能預(yù)約一個工位。

3 結(jié) 語

作為衡量高校教學(xué)水平和管理水平的重要標(biāo)志，實驗室管理技術(shù)的智能化是大勢所趨。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管控平臺結(jié)合了本校實驗室的改進情況，改變了傳統(tǒng)實驗室管理模式，提高了實驗室管理水平，減輕了管理員工作負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了真正意義上實驗室管理的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化。該管控平臺目前處于試運行階段，部分功能已經(jīng)實現(xiàn)，并達(dá)到了預(yù)期效果。

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