物聯網技術在高校實驗室管理中的應用

張皓瑜 陳媛媛

摘 要：隨著物聯網技術的迅速發展，社會各行各業對其應用的需求越來越迫切。高校作為國家培養人才的載體，更應該落實物聯網技術的應用。實驗室作為高校教育的重要組成部分，應及時引進物聯網技術。基于此，本文首先探討物聯網的概念及原理，然后分析物聯網技術在高校實驗室管理中的應用，最后闡述應用成效，以期為物聯網技術在實驗室中的應用提供參考。

關鍵詞：物聯網;實驗室管理;信息化

中圖分類號：G647;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0029-03

Internet of Things Technology in the Laboratory

ZHANG Haoyu CHEN Yuanyuan

（School of Information and Engineering， Sichuan Tourism University，Chengdu Sichuan 610100）

Abstract： With the rapid development of Internet of things technology， the demand for its application in all walks of life is more and more urgent. As the carrier of training talents， colleges and universities should apply the technology of physical networking. As an important part of college education， laboratory should introduce Internet of things technology in time. Based on this， this paper first discussed the concept and principle of the Internet of things， then analyzed the application of the Internet of things technology in university laboratory management， and finally described the application results， in order to provide a reference for the application of the Internet of things technology in the laboratory.

Keywords： Internet of Things;laboratory management;informatization

高校實驗室作為一個獨立的系統，是高校發展學教研一體化的重要組成部分。近年來，高校辦學規模不斷擴大，各高校在實驗室硬件條件及信息化管理上的投入得到了較大提高。實驗室物品是教學研究的基礎設備，實驗室設備管理的合理與否直接影響著高校管理以及教育的好壞。實驗室的開放為學生提供了自主研發的場所與物資，在鼓勵學生自己動手、鞏固理論知識以及培養學生發現問題、解決問題、探索未知的同時，也應注意實驗室設備管理的合理化以及安全等問題。

實驗室人多物雜，且長期以來主要采用人工管理的方式，實驗室管理員承擔著設備數量統計、保存、調試、檢修及更新等工作，加之面對大量的實驗儀器以及流動的學生，管理員難免存在效率低下、容易出錯、管理不靈活、疲于應付的問題。因此，各高校迫切需要引進物聯網技術，進行信息化開放式實驗室管理。

1 物聯網的概念及原理

物聯網就是物物相連的互聯網，其核心仍然是互聯網，只是在互聯網基礎上的延伸和擴展。其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信[1]。物聯網的定義是通過射頻識別技術（RFID）、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念[2]。其由全球產品電子代碼（EPC）、射頻識別系統以及信息網絡系統三大部分組成。

射頻識別（RFID），又稱無線射頻識別，是一種通信技術，俗稱電子標簽。其可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無須識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID是一種非接觸操作，RFID標簽具有體積小、壽命長、可應用于惡劣環境、可重復使用、抗干擾能力強、讀取距離遠等特點[3]。

RFID技術的工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理[4]。

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層。其主要特點是低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee無線通信技術可于數以千計的微小傳感器相互間，依托專門的無線電標準達成相互協調通信，因而，該項技術常被稱為Home RF Lite無線技術、FireFly無線技術[5]。ZigBee無線通信技術還可應用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領域，可省去計算機設備、一系列數字設備相互間的有線電纜，且能實現多種不同數字設備相互間的無線組網，使其實現相互通信，或者接入因特網。

2 基于物聯網技術的實驗室管理

2.1 實驗室物資管理

傳統的實驗室物資管理多采用標簽管理，即將實驗設備的購入日期、使用情況等記錄在標簽上張貼在設備旁。這種管理方式雖然清楚明了，但存在標簽易破損、保存不易、更新麻煩等弊端。針對這一問題，可借助物聯網技術對實驗室的物資設備進行智能化管理，如基于RFID技術，利用電子標簽進行改進。每一個擁有唯一編碼的電子標簽均可作為RFID系統的數據載體，用來存放被標識物品的信息。電子標簽由天線和芯片兩部分組成。其中，芯片主要用于對數據進行記錄和計算，是標簽的核心;天線是RFID系統在整個通信過程中的核心，系統通過天線接收讀寫器傳過來的信號，并將需要的數據再傳給讀寫器，經過調制及解調處理后，最終，邏輯控制單元將閱讀器傳來的信號進行譯碼處理，并將數據返回給讀寫器，存儲單元的功能是存放識別的數據以及保證整個RFID系統正常運行[6]。電子標簽如圖1所示。

在實驗室中使用電子標簽，可對符合固定資產的物理對象提供動態資產管理監護功能，提供物理設備的履歷管理、初始批量導入、新增、批量分配調撥、借出歸還、維修返還、盤點清理、報廢、處置注銷的全生命周期流程化管理功能;同時，結合物聯網平臺泛在互聯、動態綜合監測、智能化控管的特點，為實驗室管理員提供運行維護動態監管。管理員可通過電子標簽實時掌握實驗室設備的全部信息，也可實時更新設備信息。

2.2 實驗室安全管理

2.2.1 實驗室溫濕度調節。實驗室擁有大量的實驗儀器，如電腦、服務器、交換機等。其中，服務器等對散熱性、通風性、環境溫濕度的要求比較高，散熱不佳、通風不良、溫濕度異常等都容易造成設備損壞。在傳統的人工管理模式下，實驗室管理員無法每時每刻關注實驗室的動態變化，也很難精確地調節到合適的物理環境。本文擬采用基于物聯網的遠程溫濕度監測系統。該系統主要分為三個模塊，即室內溫濕度數據采集模塊、溫濕度數據傳輸模塊以及溫濕度數據處理模塊，然后通過無線路由器將數據實時同步到PC端和手機用戶端[7]。遠程溫濕度監測系統流程如圖2所示。

室內溫濕度數據采集模塊包含溫度、濕度傳感器及節點模塊，節點模塊使用的是ZigBee芯片。室內溫濕度數據傳輸模塊主要分為兩層，一層用于與下層數據采集模塊的數據傳輸，獲取采集到的數據;另外一層用于與上層數據處理模塊通信，其中上層充當了節點，下層采用自動形成ZigBee網絡。室內溫濕度數據處理模塊分為服務器進程及客戶端進程，服務器進程接收ZigBee協調器傳送過來的數據，客戶端進程主要用于與服務器端進行數據交互，以獲得溫濕度數據。最后構建局域網，讓管理員可以通過移動手機端獲得溫濕度數據。

2.2.2 火災報警。火災也是高校實驗室的一大安全隱患。傳統的煙霧報警器只能進行當場聲光報警，即只有當實驗室周圍有人時才能起到火災報警效果，而當實驗室周圍無人時，并不能起到很好的提醒作用。對于這種情況，可采用新型煙霧報警器，即當實驗室出現煙霧時，不僅可以當場進行聲光警報，還可以將報警信息上傳至網關從而傳送到實驗室管理員的手機端，這將在很大程度上減少火災帶來的財產和人員損失。

新型的火災報警器以火災報警控制器為中心，在傳統火災報警器內嵌入網絡或GSM模塊，當實驗室發生火災時，物聯網感知層即溫度傳感器以及煙霧傳感器等數據傳入火災探測器中，火災探測器進行分析后在現場以聲光的形式進行報警，并把相應數據傳輸到火災報警控制器中，火災報警控制器將相關火警信息在轉發到物聯網網絡層即因特網上，數據送到應用層，即實驗室管理員手機端、安保中心等，即可有效實現火災報警。

2.2.3 實驗室智能無線監控系統。基于物聯網技術的智能無線監控系統主要采用ZigBee，結合遠程監控。監控網絡模塊的電路主要由無線路由器、協調器、監控節點等部分組成。實驗室管理員的手機、計算機等移動終端可利用無線路由器與監控系統連接，實時觀看任意實驗室的監控。

3 應用成效

在高校實驗室中，利用物聯網技術對實驗室進行管理，不僅大大解放了人工勞動力，而且實現了高效性、節能性、安全性。

高效性：利用射頻識別技術下的物資管理大大減少了對實驗室物資管理的錯誤率，信息可隨時輸入、更改，容易保存;溫濕度調節系統也增長了儀器保存年限，能更加精準地落實相關工作。

節能性：利用射頻技術的物資管理降低了對紙質標簽的使用，減少了資源浪費;溫濕度調節、火災預警、遠程監控等系統可通過ZigBee網絡整合連接起來，節約了運行空間。

安全性：溫濕度調節、火災報警等系統通過與移動設備的連接，能更加快捷高效地傳達信息。

4 結語

基于物聯網技術的高校實驗室管理，通過引進新的技術與設備，對實驗室進行高效率、高質量管理。隨著物聯網的發展，基于物聯網技術的實驗室智能管理也會不斷發展，物聯網技術也會被運用到各行各業。

參考文獻：

[1]王宇鑫.物聯網技術應用于多設備共享實驗室管理的研究與實現[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

[2]孫梯全，李延標，田俊杰，等.基于物聯網的實驗室智能管理系統的構建[J].課程教育研究，2014（36）：235-237.

[3]鄧惠，葉群.基于物聯網技術的遠程溫濕度監測[J].信息與電腦（理論版），2015（5）：29-30，35.

[4]劉輝席，楊禎，朱珠，等.基于LoRa物聯網技術的實驗室安全監測系統的設計與實現[J].實驗技術與管理，2019（7）：243-247.

[5]史蓓蕾，張秀山，陳修亮.物聯網技術在實驗室安全管理中的應用[J].實驗室研究與探索，2019（3）：273-276.

[6]周廣迪.物聯網技術在實驗室管理中的應用[J].佳木斯職業學院學報，2018（9）：401，403.

[7]陶曾杰，宋春雨，唐培，等.基于物聯網技術的火災報警控制系統設計[J].電子世界，2018（14）：120-121，125.