基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校外語語言實驗室的智能化管理研究＊

蔣 拓

（深圳技術(shù)大學(xué)，廣東 深圳 518118）

一、背景

近年來，在新文科背景下，隨著科技的發(fā)展，高校的外語教學(xué)方式也隨之多樣化，智能化。各高校在外語語言實驗室的軟硬件與智能化上的投入也有了大幅的提升，這也使得如今的語言實驗室與傳統(tǒng)的語言室電腦機(jī)房有了本質(zhì)不同。 新一代的外語語言實驗室的設(shè)備更加豐富多樣，使用更加便捷，為學(xué)生提供了更加智能化的外語學(xué)習(xí)條件。在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，營造更真實的語言學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力等方面發(fā)揮著積極的作用。 然而外語語言實驗室存在著人員流動性大，使用頻率高等情況，而在日常管理方面則更多地采用人工管理的方式。實驗員既要保證教學(xué)過程中的軟硬件可靠性，又要承擔(dān)相應(yīng)的設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計，設(shè)備檢修，軟件更新等工作。這就使得日常管理中存在著效率低，不智能，對設(shè)備異常反應(yīng)慢等問題。因此如何結(jié)合當(dāng)下流行的物聯(lián)網(wǎng)智能化的管理方案對外語語言實驗室進(jìn)行管理，提高管理水平，成了一個值得研究的問題。

二、物聯(lián)網(wǎng)的概念及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， 簡稱IOT）即萬物相互連接的互聯(lián)網(wǎng)。是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，按照約定的協(xié)議通過各種信息傳感器，與各種物品實現(xiàn)信息交換，以達(dá)到識別、通信、跟蹤、監(jiān)控以及管理物品的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。 其打破了傳統(tǒng)的信息交換方式，實現(xiàn)了任何物品與物品直接的通信[2-3]。具有節(jié)省時間與人力成本，增強數(shù)據(jù)收集，高效資源利用等優(yōu)點。

從技術(shù)架構(gòu)上看，物聯(lián)網(wǎng)包括了物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層等3大層次[4]。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的最底層，其主要功能是收集數(shù)據(jù)，通過傳感器，音視頻采集設(shè)備、讀寫器等感知設(shè)備從物理世界中采集數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，在物聯(lián)網(wǎng)體系中起承上啟下作用，主要將來自感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理和分析；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最頂層，主要基于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)解決具體的行業(yè)問題，包括完成信息處理，應(yīng)用集成以及人機(jī)交互。

得益于近年來網(wǎng)絡(luò)傳輸能力與相關(guān)技術(shù)水平的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迎來了高速發(fā)展的契機(jī)。通過通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸，不同種類的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品被相互連接并廣泛的運用在各種場景中。 最常見的如物流，智能家居，智慧交通、醫(yī)療和安防領(lǐng)域等。

三、高校外語實驗室智能化管理的必要性與需求

1.外語語言實驗室的現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的發(fā)展，在新文科背景下，高校的外語實驗室不再只是傳統(tǒng)的機(jī)房，其形式也趨于智能化、多樣化。我校目前的外語語言實驗室的設(shè)備是通過數(shù)據(jù)線和局域網(wǎng)進(jìn)行連接，設(shè)備包括了計算機(jī)、一體機(jī)、路由器、交換機(jī)、耳機(jī)、平板電腦以及充電柜在內(nèi)的多種電子設(shè)備。其使用頻率相對更高，管理難度也隨之增加，因此急需探索出一套新型的智能化設(shè)備管理方案。

2.外語語言實驗室管理需求

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的外語實驗室管理系統(tǒng)，須滿足實驗室設(shè)備實時監(jiān)控、安全隱患報警、自動化控制以及可擴(kuò)展性等多種需求，從而提高外語實驗室的設(shè)備管理效率和信息化水平。根據(jù)以上需求，該系統(tǒng)應(yīng)具有實驗室智能門禁功能、電力控制功能、實驗室環(huán)境檢測功能、實驗室無線監(jiān)控功能、實驗室設(shè)備及軟件智能管理等功能。

四、外語語言實驗室管理平臺構(gòu)建

針對實驗室的具體需求，使用多模網(wǎng)關(guān)為核心，可以搭建一個智能化管理平臺對實驗室的軟硬件、人員、環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和管理工作。實驗室管理平臺的框架根據(jù)軟硬件可以分為兩大模塊，分別是IOT設(shè)備智能化管理模塊和軟件更新進(jìn)度管理模塊。

1.IOT設(shè)備智能化管理模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展為如今外語實驗室的管理問題帶來了一個低成本，高效且可擴(kuò)展的解決方案。搭建物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)的重點在于如何將實際需求一一對應(yīng)到感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。基于我校現(xiàn)有的外語語言實驗室，結(jié)合所需功能，感知層包括多模網(wǎng)關(guān)、門禁系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備管理系統(tǒng)以及環(huán)境安全系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層則使用了以4G、5G為代表的無線廣域網(wǎng)和以藍(lán)牙、WiFi和RFID技術(shù)為主的無線局域網(wǎng)。其中RFID 技術(shù)，又稱無線射頻識別技術(shù)，是一種易于操控，簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)[5]。配合藍(lán)牙、WiFi等近場傳輸技術(shù)可以十分便捷地傳輸幾乎所有所需的數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用層則包含了終端控制與數(shù)據(jù)分析兩個部分。

1.1 智能門禁系統(tǒng)

外語語言實驗室具有設(shè)備價值高，數(shù)量多，使用頻率高等特點，因此準(zhǔn)入系統(tǒng)上需要在保證安全的前提下更加便捷。既要使擁有權(quán)限的用戶直接完成實驗室門禁解鎖，同時，實驗室管理員也可通過系統(tǒng)直接授予某個用戶門禁權(quán)限，被授權(quán)用戶無需提前錄入信息便可臨時通行[6]。另一方面，該系統(tǒng)也需要有一定的安防功能，每日的訪問數(shù)據(jù)需要被記錄并生成日志存儲，以便需要時管理員可以進(jìn)行查閱；當(dāng)出現(xiàn)陌生訪客嘗試強行進(jìn)入實驗室的情況時，需要及時提醒管理員。

因此門禁系統(tǒng)使用智能門鎖，通過面部識別與指紋識別技術(shù)可以有效地解決傳統(tǒng)實驗室準(zhǔn)入存在的安全隱患和流程復(fù)雜等問題；當(dāng)出現(xiàn)陌生訪客時也可以及時留存視頻和照片信息通過服務(wù)器發(fā)送到控制終端以便管理員進(jìn)行相應(yīng)的處理。 同時將門禁系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)可以使得門禁與燈光，溫度，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動化聯(lián)動，避免因為忘記關(guān)閉電源所帶來的能源浪費。

1.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)除了滿足日常安防需求之外，主要是用于監(jiān)控實驗室的狀態(tài)，在實驗室管理人員不在現(xiàn)場的時候也可以隨時了解實驗室情況。不同于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)可以通過與門禁系統(tǒng)和紅外傳感器相互連接交互。當(dāng)實驗室有人存在時開啟監(jiān)控，人離開時關(guān)閉監(jiān)控，從而可以延長監(jiān)控系統(tǒng)使用壽命，節(jié)約能源。另外，支持IOT的智能監(jiān)控攝像頭可以與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，一旦遇到突發(fā)事件，可以按照預(yù)先設(shè)置的邏輯進(jìn)行反應(yīng)，實時狀態(tài)也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到管理員端，從而判斷是否需要人工介入操作。同時，管理員還可以根據(jù)傳感器的狀態(tài)隨時查看實時監(jiān)控以便做出及時的反應(yīng)。

1.3 設(shè)備管理系統(tǒng)

實驗設(shè)備的管理包括平板電腦，多功能互動一體機(jī)等在內(nèi)的資產(chǎn)管理，也包括了設(shè)備使用管理。 一方面可以通過使用RFID技術(shù)來提升實驗室資產(chǎn)管理的智能化水平。RFID系統(tǒng)一般由讀寫器與電子標(biāo)簽兩部分組成。只要RFID標(biāo)簽出現(xiàn)在讀寫器的有效識別范圍之內(nèi)，就可以通過閱讀器讀取到標(biāo)簽信息，并不需要建立物理連接。因此給實驗室的固定資產(chǎn)貼上RFID電子標(biāo)簽，既可以了解設(shè)備的基本情況如：購置時間，維護(hù)日期，供貨商，配置等基本信息[7]；又可以記錄每臺設(shè)備的使用情況，是否存在軟件沒有及時更新或者硬件損壞待維修的情況，為日常維護(hù)提供真實的數(shù)據(jù)參考，可以有效地提高實驗室的管理效率和信息化水平。

另一方面，可以使用智能插座來實現(xiàn)各種電子設(shè)備的開關(guān)機(jī)。比如外語語音實驗室主要使用更為靈活化的平板電腦作為課程載體，而平板電腦需要經(jīng)常充電，因此需要將其置入充電柜統(tǒng)一進(jìn)行充電。由于安全考慮，充電柜的設(shè)計功率無法達(dá)到幾十臺平板的最大充電功率，因此無法進(jìn)行快速充電。通常情況下都需要進(jìn)行長達(dá)10個小時的充電，才能保證所有的平板電腦達(dá)到滿電的狀態(tài)。這個過程耗時長，且很容易出現(xiàn)充滿電卻沒有斷電的情況。不僅容易使平板電腦的電池壽命減少，同時還增加了用電風(fēng)險。而引入了智能插座則可以完美的解決上述問題。通過對用電功率的實時監(jiān)控，可以有效地判斷平板電腦是否已經(jīng)完成充電。既可以手動開關(guān)機(jī)，也可以根據(jù)平板電腦的使用頻率，設(shè)置每周固定兩次開啟充電電源，開始充電。當(dāng)功率小于一定數(shù)值時便可以認(rèn)為充電柜里的所有平板電腦完成充電，并自動斷電。同樣的，互動一體機(jī)等設(shè)備也可以通過相同的方式進(jìn)行一鍵開關(guān)機(jī)的操作。 這樣就可以極大地提高設(shè)備管理精確度保證設(shè)備的用電安全，延長設(shè)備使用壽命。

1.4 環(huán)境安全檢測系統(tǒng)

實驗室環(huán)境檢測包括災(zāi)害監(jiān)測，溫濕度，門窗狀態(tài)，是否有人在場等情況。首先，由于外語語音實驗室的人流量大，使用頻率高，且主要設(shè)備為電子設(shè)備，一旦發(fā)生火災(zāi)，輕則會造成設(shè)備損失，重則會造成人員傷亡。因此實驗室的消防安全是重中之重，需要放在首位考慮。傳統(tǒng)的煙霧報警器只能進(jìn)行當(dāng)場聲光報警，即只有當(dāng)實驗室周圍有人時才能起到火災(zāi)報警效果，而當(dāng)實驗室周圍無人時，并不能起到很好的提醒作用。針對上述情況，可以使用智能煙霧報警器作為災(zāi)害監(jiān)測的傳感器，這種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型煙霧報警器不僅可以當(dāng)場聲光警報，同時還可以與其他IOT設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動。比如，當(dāng)煙霧傳感器檢測到煙霧時，會第一時間打開報警功能，同時通過互聯(lián)網(wǎng)將情況上報給管理員，管理員可以通過實時監(jiān)控視頻，第一時間判斷實驗室的火災(zāi)情況是否是誤報或者真實發(fā)生，從而采取相應(yīng)的措施。這樣即使在假期、實驗室長期無人的情況下，也可以保證實驗室的安全。

其次，由于地處深圳，氣候潮濕，經(jīng)常會出現(xiàn)“回南天”這種高度潮濕的天氣情況。而電子設(shè)備在使用和存放的過程中十分容易收到潮濕天氣的影響，發(fā)生一些損壞甚至降低使用壽命。因此實驗室設(shè)備存放的環(huán)境需要保持通風(fēng)和干燥才能夠避免上述問題的發(fā)生。這就需要使用溫濕度傳感器用于實時感應(yīng)室內(nèi)溫濕度變化情況，從而采取相應(yīng)措施。

除此之外，門窗狀態(tài)也是在實驗室管理的過程中的一個需要注意的問題。在實驗室非開放時間，需要保持門窗關(guān)閉，禁止非授權(quán)人員進(jìn)入，確保實驗室設(shè)備安全。另外，由于東南沿海臺風(fēng)暴雨多發(fā)，如果遇到臺風(fēng)天氣沒有及時關(guān)閉門窗，會導(dǎo)致設(shè)備乃至整個實驗室的嚴(yán)重?fù)p害。而使用門窗傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程查看門窗的開關(guān)狀態(tài)可以有效地解決門窗忘記關(guān)閉所帶來的問題，提高實驗室管理水平。

2.軟件更新進(jìn)度管理模塊

硬件是實驗室的基礎(chǔ)，而軟件則是外語實驗室的核心內(nèi)容。由于外語語音實驗室的特殊性，教師教授不同的課程所需要使用的功能也有著一定的區(qū)別。一般的教學(xué)軟件存在著功能冗雜，交互設(shè)計復(fù)雜，核心功能不符合實際教學(xué)需求等問題。這是由于軟件的開發(fā)人員沒有一線教學(xué)經(jīng)驗，對于課程內(nèi)容不清楚，不了解課堂使用的具體場景；同時一線教師與學(xué)生也沒有專業(yè)的產(chǎn)品相關(guān)的知識，對于教學(xué)的實際需求無法準(zhǔn)確及時地反映給軟件開發(fā)人員。這就造成了軟件使用率低，版本更新效率低，溝通不順暢等問題。

因此該模塊引入了項目管理理念，通過使用在線協(xié)同工作工具來解決教學(xué)軟件不符合一線教師的實際需求，以及開發(fā)人員與師生的溝通不順暢不及時等情況。整個模塊以多人協(xié)同在線管理系統(tǒng)為中心，連接實驗員和軟件供應(yīng)商，而非供應(yīng)商直接與師生進(jìn)行溝通。其優(yōu)點非常明顯，既可以避免師生與軟件開發(fā)人員相互不了解對方想法的問題，又可以很直觀地反映需求、更新進(jìn)度與時間的關(guān)系。因此軟件更新進(jìn)度管理模塊可以更高效地解決由于任課教師對于課程的不斷完善，以及教學(xué)進(jìn)度的變化，帶來的每學(xué)期對于教學(xué)軟件需求變化的問題。 同時實驗員每學(xué)期結(jié)束也可以查看軟件在過去一學(xué)期的更新情況，不斷完善軟件更新管理方案，提升軟件更新質(zhì)量與效率。

結(jié)語

針對傳統(tǒng)的外語語言實驗室管理的不足，結(jié)合對現(xiàn)階段各高校外語實驗室的實際情況綜合分析后。本文通過使用市面上常見的IOT設(shè)備以及RFID技術(shù)，針對實際管理需求，以硬件設(shè)備的管理為主，軟件系統(tǒng)的管理為輔，設(shè)計了一個高效且個性化的高校外語實驗室管理系統(tǒng)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以極大地減輕實驗員的工作負(fù)擔(dān)，減少失誤，同時提高實驗室的安全性，智能化程度以及管理效率。