智能開放實驗室管理系統設計與實現

王 磊

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

隨著互聯網產業化、工業智能化、工業一體化為代表的第四次工業革命的到來，創新已經成為經濟和社會發展的主要驅動力量[1].世界經濟論壇發布的《2016-2017年度全球競爭力報告》顯示，中國合格科學家和工程師可獲得數量在138個國家中位列30位，創新能力位列45位，培養適應當前經濟和社會發展的大批創新型人才仍然是迫在眉睫的重要任務[2].而實驗室管理是完成這樣重要任務的關鍵.

開放實驗室的科研實踐與學術交流為學生的素質拓展奠定了良好基礎，使人才培養從單一型向復合型和創新型轉變，教育教學從單一的知識傳授向全面的創新能力培養轉變.

1 高校實驗室現狀

盡管許多高校對實驗室開放的教學與管理工作進行了系列的改革，但沒有徹底解決實驗室管理在開放時間、開放內容、實驗設備管理等方面存在的問題[3-4]，高校實驗室開放的管理和運行存在的突出問題，主要有如下幾個方面：

(1)開放的實驗項目相對單一.目前很多高等學院的實驗室開放多數情況還是以課程實驗、專業實訓、專業設計為主.而有利于培養學生創新能力的實驗室利用率相對較少，原因是目前實驗室開放的項目多數是由教師根據理論課程開設的，基礎性實驗多，缺少充足的設計性、綜合性實驗項目.

(2)開放性實驗的參加人數相對還較少，對學生進行技能培訓或開展非立項課題研究的難度則較大，從學生個性化發展和對培養自主創新能力而言效果不夠理想.

(3)實驗室人員配備與訓練不足[3].不能對學生進行隨時隨地的指導，目前國內高校實驗室管理基本上劃分到各個專業教研室，專業教研室的教師多數又承擔這非常重要的理論教學任務，所以對開放實驗室的學生進行實驗指導的時間相對比較有限.由于人員不足導致實驗器件、設備的借用和歸還存在一定的時間限制[5-6].

(4)實驗室的開放時間固定.為了確保實驗室的安全使用，目前國內多數高校的實驗室開放時間都集中在教師工作時間，實驗室的門禁一般有個別教師單獨管理，部分學生如果需要預約晚上或假日利用實驗室還需要進行復雜的申請[7]，過程繁瑣導致一部分學生的退縮.

2 基于“互聯網+”的開放實驗室管理系統

基于上述問題，針對實驗室使用中可能出現的安全問題，如忘記關窗戶、忘記關電源等造成的資源浪費、設備損毀等情況[2]，開發了基于互聯網+的開放實驗室智能管理系統.開放實驗室智能管理系統網絡架構如圖1所示.

圖1 基于互聯網+的開放實驗室網絡結構

根據實驗室使用和管理中可能會遇到的問題，利用無線傳感網絡實現實驗室溫度信息、濕度信息、電源監控、煙霧等環境信息的監控.最后利用B/S架構[8-10]，構建一個可拓展、界面美觀易操作的實驗室管理平臺.該系統利用智能硬件控制，通過信息化的操作，將實驗室各類信息存入數據庫，教師用戶通過連接服務器就可以按照需求對實驗室設備、項目、環境等進行管理.學生用戶則可以進行實驗相關信息查詢、實驗室預約等操作.

3 開放實驗室管理系統功能實現

3.1 無線通信

利用ZigBee技術[11]，構建智能終端實現各設備、各區域的信息采集，結合modbus的ASCII協議保證數據的正確傳輸.通過網絡將采集的實驗室信息上傳到服務器，用戶通過電腦或手機登錄網頁即可進行信息查詢或其他操作.

3.2 功能模塊

按照開放實驗室運行所需，系統需要具備如圖2的各項功能：

圖2 系統功能框圖

(1)用戶管理模塊

開放實驗室智能系統主要用戶有管理員、教師和學生三種，其中管理員的權限最高，可以再系統中進行各種操作，如添加或刪除用戶、添加新設備、為教師用戶和學生用戶分配權限、管理各智能終端等；教師用戶權限次之，可以添加和管理實驗項目、管理智能終端等；學生用戶權限最少，僅可以查詢實驗室相關信息、預約實驗室和實驗設備進行實驗等.

(2)實驗室管理模塊

此模塊主要是實驗室相關信息的管理.包括實驗室信息管理、實驗項目管理、實驗室設備管理.模塊中的信息只有管理員和教師用戶可以修改，學生用戶只能查閱.

(3)智能設備管理模塊

智能設備管理主要包括視頻監控、門禁、智能電源等組成，主要用于實驗室環境的管理，管理員根據實際需要為教師用戶和學生用戶設置門禁權限，根據學生預約情況開啟實驗臺電源等，管理員和教師還可以通過視頻監控對實驗室進行安全管理等.

(4)查詢/預約模塊

學生用戶主要使用模塊，學生可以通過查詢/預約功能[10]，查詢實驗室信息、實驗項目信息、實驗設備位置等.最主要的是學生用戶可以根據自己的時間安排靈活的預約實驗室和相關實驗設備的使用，更加有利于培養學生的實踐操作能力，同時也大大增加了實驗室的利用率，為培養學生創新思維和創新能力提供了更加有利的條件.

4 結 論

高校大型公共開放實驗室的高效管理是高校綜合管理能力的集中體現，也是高校發展的重要環節.本文針對高等院校開放實驗室建設和管理提出基于“互聯網+”的智能開放實驗室管理系統，為更好的培養學生創新實踐能力提供了平臺.