基于物聯網的計算機實驗室管理系統設計

摘要：隨著高校的發展，計算機實驗室成為重要的學習場所。而隨著高校對于計算機實驗室的投入不斷增加，其管理工作成為亟須解決的問題。通過運用物聯網技術構建計算機實驗室管理系統，旨在實現對實驗室環境參數、實驗設備運行狀態等多維度信息的高效采集與實時監控，提高計算機實驗室的管理水平。

關鍵詞：計算機實驗室；物聯網；管理系統

中圖分類號：TP311.5；TN925+.93 文獻標識碼：A

0 引言

計算機實驗室的管理是高校日常管理中的重要環節，不僅關系到教學和科研工作的順利進行，還涉及學生實踐能力的培養。物聯網技術是互聯網技術發展形成的一種產物，由感知層、網絡層和應用層組成[1]。本文將物聯網技術應用于高校計算機實驗室管理系統中，以促進實驗室管理信息化發展，解決當前實驗室管理存在的問題，實現對計算機實驗室的全面監測，降低人工成本。

1 系統需求分析

需求分析是識別現有管理問題后對新系統功能的詳細研究。隨著高等教育的普及和學生數量的增加，高校無法應對日益復雜的實驗室管理挑戰，如設備增多、課程安排復雜、人員流動頻繁等，進而導致設備損耗、維護滯后、安全問題處理不及時等問題[2]。這些問題的根源是信息化水平低和管理效率不高。因此，實驗室信息化管理系統的目標是實現全面、實時的實驗室監管，以提升管理效率。圖 1為計算機實驗室信息化管理系統功能需求。

計算機實驗室信息化管理系統應具備如下關鍵功能以符合信息化管理需求。具體功能：①設備監控系統。該系統應具備收集設備運行參數的能力，如工作電壓、電流、功率等，通過深入分析這些基本數據，能夠準確評估設備的工作狀態和運行時間，從而為系統提供堅實的數據支撐。②信息化管理界面。設備運行狀態和環境參數數據應通過網絡實時傳輸至中央服務器數據庫，管理平臺在此基礎上進行高效的數據管理、深度分析，并實現數據的可視化呈現[3]。③環境監控功能。系統需集成環境參數監測的功能，包括溫度、濕度、光照強度和空氣質量等基本環境指標，可根據預設的時間間隔進行數據采集。在遭遇如火災等突發情況時，系統能立即向管理者發送預警通知，以便及時采取應對策略。

2 系統整體設計

如圖2所示，本文規劃的計算機實驗室管理系統架構采用基于物聯網的3層架構設計。其中，第一層為感知層，也是架構的底層，利用ZigBee（紫蜂）無線傳感器網絡技術，并且通過眾多微型監測器，實時跟蹤實驗室設備的狀態。收集的數據通過ZigBee無線網絡傳輸至ZigBee網關。第二層為網絡層，設有兩臺服務器，一臺為數據庫服務器，專門存儲感知層獲取的數據；另一臺為應用服務器，它會從數據庫服務器獲取信息，并將這些信息發布至局域網或校園網。第三層為應用層，其主要面向實驗室用戶。用戶可利用搭載網絡瀏覽器的設備（如手機、電腦），對系統進行管理和控制，以實現便捷的遠程操作。ZigBee網絡由協調器、路由節點和終端節點構成，可根據需求形成星形、樹形或網狀結構。在計算機實驗室的有限空間內，系統采用星形結構的網絡，該網絡的路由節點和終端節點可直接與協調器通信，便于管理且數據傳輸效率高。

3 關鍵技術

3.1 嵌入式系統

嵌入式系統可被定義為一種集成系統，由硬件和軟件共同構建，其設計目標是執行特定任務。本質上，它構成了一個定制化的計算機系統，其特征在于根據特定應用需求對硬件和軟件進行優化，以適應功率、尺寸、成本和可靠性的嚴格限制。嵌入式技術涉及用于開發定制系統的技術，它也是物聯網技術的關鍵構成部分，大約90%的計算機應用開發都包含嵌入式系統的開發[4]。嵌入式技術的起源可追溯至單片機技術，核心理念是通過軟件對硬件資源進行管控，以實現電子、機電及數字產品的數據處理、控制和管理功能。相較于單片機，嵌入式系統更為復雜和先進，能夠對所有資源進行集中調度和管理。

實時操作系統（real-time operating system，RTOS）為嵌入式系統設計的操作系統，旨在高效處理各類任務并迅速響應各種請求。以免費實時操作系統（free real-time operating system，FreeRTOS）為例進行說明，其具備以下特點：首先，FreeRTOS內核設計精巧，能適應嵌入式系統硬件資源有限的環境；其次，FreeRTOS具備出色的實時性能，這是RTOS最關鍵的特性；再次，FreeRTOS高度可定制，能緊密集成軟硬件，并且根據不同的微處理器進行優化；最后，FreeRTOS的可靠性較強，能在各種條件下穩定運行，而可靠性也是衡量RTOS性能的關鍵指標。在信息采集設備設計中，本文采用基于Cortex-M4內核的微控制器，并結合國產的RT-Thread RTOS，以滿足預期的功能需求。

3.2 數據庫

數據庫是一種專為數據管理與組織設計的計算機軟件，也是一個高效能的數據存儲中心。開源關系型數據庫管理系統（如MySQL、MySQL AB）的數據庫具有輕量級、運行效率高、開源免費和可靠性強的特點[5]。鑒于本文所開發的管理系統規模適中，因此選擇了MySQL數據庫作為支撐。

該數據庫的主要功能是存儲由數據采集設備發送的信息。具體包括：①管理員表。用于記錄系統管理員的詳細信息，分為普通管理員和超級管理員兩類。②實驗室表。包含使用系統中所有實驗室的詳細資料，如校區位置、所屬學院等。③設備信息表。記錄設備的運行參數，如設備編號、電壓、電流等關鍵數據。④環境信息表。負責存儲實驗室環境的各項數據，如溫度、濕度、光照強度等。⑤監控視頻表。用于保存實驗室監控視頻或圖片的元數據，如錄制時間、起止時間、視頻和圖片的存儲位置等。

3.3 目標檢測技術

目標檢測技術主要任務是定位和識別圖像中的對象，包括對象定位和分類兩個關鍵步驟。隨著技術的演進，這兩項功能的界限逐漸模糊化。該技術迅速發展并且形成了兩種主要的檢測算法類型：①區域卷積神經網絡（region-based convolutional neural network，R-CNN）算法。該算法有兩個階段：首先在圖像上生成一系列的候選區域；其次對候選區域進行分類和精確定位，R-CNN算法的精度高但效率低。②YOLO目標檢測算法。該算法為單階段算法，直接預測類別和位置，可以實現快速檢測，但精度略低。兩種算法各有優缺點，前者精度高但計算效率低，后者速度快但可能犧牲部分精度。本文主要聚焦于YOLO目標檢測算法模型，該模型在檢測速度與精度之間達到了良好的平衡，適用于實驗室設備的檢測與識別任務。

4 信息采集裝置設計與實現

4.1 采集節點硬件設計與實現

如圖3所示，采集節點包含核心控制模塊、設備信息采集模塊、環境信息采集模塊（溫濕度傳感器和光強度傳感器）、Wi-Fi模塊和供電電源。各傳感器模塊統一管理數據采集與上傳。硬件采用模塊化堆疊設計，各部分功能獨立，互不影響，便于維護、調試和根據實驗室需求靈活調整功能。

4.2 采集節點軟件設計與實現

軟件設計在采集節點構建步驟如下：①在初始化階段配置傳感器交互引腳，建立Wi-Fi熱點，設定服務器地址，初始化變量；②運行時，Wi-Fi模塊（ESP-12E）通過串行通信向IM1253B芯片發送讀取命令，接收并處理數據；③環境數據采集，ESP-12E通過模擬集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）讀取溫濕度傳感器和光強度傳感器數據；④數據上傳，可以直接上傳數據至服務器或作為客戶端通過中繼節點接入點（access point，AP）熱點發送數據。

采集節點根據設備運行情況動態調整工作模式。設備未運行時，節點不工作以節省能源。設備啟動時，節點會被激活，監控設備狀態數據。ESP-12E提供3種低功耗模式：調制解調器睡眠（modem-sleep）、淺睡眠（light-sleep）和深度睡眠（deep-sleep）。其中，deep-sleep模式下，Wi-Fi關閉，工作電流小于1 mA，功耗較低。在本文采集節點軟件設計中，當設備開機時，觸發延時繼電器，將GPIO16引腳置低，而該引腳與RST引腳連接，因此可以喚醒ESP-12E，經過一定延時后，繼電器將斷開，此時ESP-12E正常工作，采集設備的運行狀態及環境信息并上傳。當設備關閉時，節點將進入deep-sleep模式，降低功耗，等待下次喚醒。在此期間，環境信息按預設的時間間隔進行采集。當定時器計時結束后，發送低電平信號喚醒ESP-12E，采集環境和設備狀態信息后，再次進入deep-sleep模式，以降低能耗。

5 系統功能設計

5.1 門戶網站

門戶網站不僅具備高效的信息發布和宣傳能力，同時也是一個集中的登錄注冊入口，旨在提供便捷的操作體驗[6]。門戶網站可以真實反映實驗室或教學管理的核心價值，是學校展示獨特形象的窗口，使訪問者能夠迅速了解其概況。在學校內部，門戶網站扮演著導航的角色，方便用戶獲取所需資源。此外，門戶網站還作為信息發布的重要平臺，助力用戶及時掌握學校政策、活動信息，是學校信息流通的樞紐。

5.2 實時監測和智能控制系統

計算機實驗室可被視為一座知識的堡壘，需確保每一臺設備安全、精確、穩定地運行，這些設備構成了學生研習數字領域、教師傳遞智慧的牢固基石。為保障每一次實驗操作的順利進行，采用物聯網技術對實驗室的電力系統、安全措施、消防設施等各個層面實現全面的監控與管理[7]。

5.3 開放預約管理系統

預約管理系統的核心是實驗室的智能訪問控制機制，旨在為學生的研究活動和教師的創新實驗安排預定時間。系統包含兩種預約選項，即團隊預約和單人預約。在同時運行的情況下，團隊預約享有優先權，個人預約會相應地進行調整，以確保實驗室的平穩運行和資源的高效利用。

6 系統測試

6.1 測試設計

在測試階段，利用Windows 10操作系統，依托Eclipse作為開發環境，并借助Tomcat服務器進行服務支持。硬件配置方面，系統配置2.4 GHz的處理器和4 GB的內存。在系統完成研發后，研究人員進行全面的檢查，確保所有功能都符合預設標準。

6.2 測試結果

在對本文設計的實驗室設備的系統性評估過程中，基于計算機實驗室環境采集的圖像，借助實驗室管理系統對計算機設備進行了精確無誤的辨識與檢測，檢測效果圖如圖4所示。實驗結果證明，本文設計的計算機實驗室管理系統在復雜多變的實驗室場景中，展現出穩定且高效的檢測性能。

7 結語

綜上，通過將物聯網技術應用于計算機實驗室管理系統中，以教學為核心，全面提升了實驗室的智能化管理效率。同時，對實驗室的每一個細節和任何細微的性能變化，都應進行嚴格的監控。設備間的智能互聯可以形成無形的高效網絡，保證整個實驗室的順暢運行和持續活力。

參考文獻

[1] 沈曉玲. 基于物聯網的計算機實驗室數字化管理系統研究[J]. IT經理世界，2020，23（6）：208.

[2] 候振. 基于物聯網與大數據的高職計算機實驗室管理系統設計與實現[J]. IT經理世界，2024，27（5）：50-52.

[3] 許萌，雷亮亮. 基于物聯網技術的高校實驗室資產管理系統設計[J]. 信息技術與信息化，2020（9）：105-109.

[4] 楊勤.基于物聯網的計算機實驗室管理模式分析[J].數碼設計，2023（1）： 113-115.

[5] 江金龍. 基于VOI云管理系統的高校計算機實驗室應用研究[J]. 軟件，2023，44（6）：172-174.

[6] 佟禹欣.計算機實驗室遠程控制與管理系統的設計與實現研究[J].中國新通信，2022，24（20）：57-59.

[7] 羅亞萍.計算機實驗室管理系統的設計與實現[J].電子制作，2022，30（16）：55-57.