吳萍　高興茹

【摘 要】開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然趨勢(shì)。為適用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)， 實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)室全天候安全開放，提高了實(shí)驗(yàn)室的智能化管理水平。

【關(guān)鍵詞】開放式實(shí)驗(yàn)室；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

0 引言

為了適用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很多高校都開放物理實(shí)驗(yàn)室，早期采用人工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開放，或采用單機(jī)版的管理軟件進(jìn)行開放管理，這些管理方式存在工作煩瑣，效率低下等弊端。例如，學(xué)生不能及時(shí)了解開放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的信息；學(xué)生必須到實(shí)驗(yàn)室去預(yù)約，由實(shí)驗(yàn)室教師登記等。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室智能化管理需求，從不同角度出發(fā)，也提出了許多開放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)方案，如機(jī)房自動(dòng)管理系統(tǒng)等，這些方案在實(shí)驗(yàn)室信息管理、人員管理、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等方面，不同程度實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的信息化管理，盡管如此，但除了計(jì)算機(jī)機(jī)房以外，其它開放普通實(shí)驗(yàn)室，由于沒(méi)有計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大多存在自動(dòng)化管理程度不高的問(wèn)題。針對(duì)這種情況，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實(shí)驗(yàn)室的管理，利用門禁、觸屏派位、視頻監(jiān)控、平板電腦終端、設(shè)備控制器與智能電源插座等，結(jié)合基于B/S結(jié)構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室web管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)室全天候安全開放，提高了開放實(shí)驗(yàn)室的智能化管理水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，獲取各種應(yīng)用需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，它的主要作用是識(shí)別物體、采集信息。網(wǎng)絡(luò)層主要作用是進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的傳輸，主要利用現(xiàn)有的比較成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及移動(dòng)通信技術(shù)。應(yīng)用層主要作用是將感知層采集到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在實(shí)際的環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療等應(yīng)用。硬件系統(tǒng)主要集中在感知層和網(wǎng)絡(luò)層、軟件系統(tǒng)主要集中在應(yīng)用層，其中可能用到一些中間件技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可看出，物聯(lián)網(wǎng)從感知信息，傳輸信息，到處理應(yīng)用信息用到了若干技術(shù)，也涉及到許多硬件和軟件，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)綜合性的概念和提法。

2 硬件建設(shè)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式物理實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)硬件支撐平臺(tái)如圖1所示。其中，開放式物理實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的服務(wù)器是根基，所有的硬件連接和很多軟件系統(tǒng)都集中在這個(gè)服務(wù)器上，服務(wù)器接入校園網(wǎng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、短信貓和觸屏派位系統(tǒng)直接與服務(wù)器連接，平板電腦終端通過(guò)校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接，所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤陣列中。實(shí)驗(yàn)室中的各個(gè)設(shè)備的電源通過(guò)電源控制器經(jīng)過(guò)集線器、轉(zhuǎn)換器與觸摸屏的串口連接。

硬件建設(shè)首先要對(duì)原有實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施（主要為強(qiáng)電、弱電、網(wǎng)絡(luò)改造）進(jìn)行基本改造，然后增加監(jiān)控、門禁、物聯(lián)網(wǎng)終端等硬件設(shè)備，整合原有教學(xué)系統(tǒng)軟件，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)集成。具體建設(shè)內(nèi)容有：（1）基礎(chǔ)設(shè)施改造：對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行弱電、網(wǎng)絡(luò)改造。要在門、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)弱電及網(wǎng)絡(luò)線路，為開放式實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供基本的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。（2）可視對(duì)講監(jiān)控系統(tǒng)：在實(shí)驗(yàn)室安裝監(jiān)控?cái)z像頭和對(duì)講終端。同時(shí)建設(shè)對(duì)講監(jiān)控服務(wù)設(shè)備，包含網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、交換機(jī)、監(jiān)控專用硬盤，保障監(jiān)控系統(tǒng)的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。（3）門禁：在實(shí)驗(yàn)室和樓層的走廊端安裝門禁。（4）觸控派位機(jī)：安裝觸控派位機(jī)。在實(shí)驗(yàn)樓每層的走廊口安裝一臺(tái)派位機(jī)，配合開放式實(shí)驗(yàn)室web管理系統(tǒng)軟件用于學(xué)生刷卡、信息查詢等。（5）觸控控制器：安裝觸控控制器。每臺(tái)觸控派位機(jī)配置1臺(tái)觸控控制器，用于觸控派位機(jī)與設(shè)備控制器的通信。（6）設(shè)備運(yùn)行控制器：安裝設(shè)備運(yùn)行控制器。每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置1臺(tái)設(shè)備控制器，作為開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制終端，用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸。（7）短信貓：配置1臺(tái)短信貓，安裝在服務(wù)器上。用于開放式實(shí)驗(yàn)室預(yù)警信息、提示信息等發(fā)布。（8）PAD客戶端：建設(shè)pad客戶端。Pad客戶端的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)整個(gè)開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)跨平臺(tái)使用，支持移動(dòng)終端服務(wù)。使學(xué)生、教師能隨時(shí)隨地，方便快捷的使用系統(tǒng)。

3 軟件系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式物理實(shí)驗(yàn)室管理軟件平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)室WEB管理系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和平板電腦系統(tǒng)組成。WEB管理系統(tǒng)是開放式實(shí)驗(yàn)室管理軟件系統(tǒng)的重要組成部分，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)際需要，具有各種功能，包括：學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室拓?fù)涔芾?、預(yù)約信息管理、通知公告管理、預(yù)約規(guī)則管理、校園卡掛失管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)刷卡啟動(dòng)電源控制器控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源從而達(dá)到開放使用的目的。系統(tǒng)細(xì)化各項(xiàng)管理，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放性和交互性；為學(xué)生提供了一個(gè)自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教師的開放教學(xué)提供了有力的基礎(chǔ)支持；為提高實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的利用率提供了更安全和便捷的保障。觸摸屏系統(tǒng)又稱為“電源控制子系統(tǒng)”，是開放式實(shí)驗(yàn)室管理軟件系統(tǒng)的核心組成部分。開放式實(shí)驗(yàn)室管理面臨的重大挑戰(zhàn)是安全的問(wèn)題，這其中首當(dāng)其沖的就是用電的安全。通過(guò)電源控制子系統(tǒng)的學(xué)生座位電源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生用電的管理，是保證開放式實(shí)驗(yàn)室安全的重要手段。電源控制子系統(tǒng)是通過(guò)管理柜員機(jī)（觸摸屏）和座位電源控制單元等硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室座位的電源管理。觸控系統(tǒng)配置微型攝像頭，實(shí)現(xiàn)學(xué)生派位時(shí)照相功能，可有效的防止學(xué)生替代刷卡派位的現(xiàn)象發(fā)生。大屏幕觸控顯示屏可高清晰的顯示學(xué)生的彩色照片。整個(gè)電源控制系統(tǒng)主要面向兩個(gè)角色：學(xué)生和教師（管理員）。學(xué)生通過(guò)所持校園卡，請(qǐng)求使用實(shí)驗(yàn)室座位，系統(tǒng)根據(jù)教師（管理員）定義的規(guī)則（排位規(guī)則），為學(xué)生分配座位，并自動(dòng)啟動(dòng)電源。在完成實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)刷卡關(guān)閉相應(yīng)的電源。教師（管理員）用戶通過(guò)系統(tǒng)登錄，在權(quán)限允許的條件下，遠(yuǎn)程單獨(dú)或批量控制實(shí)驗(yàn)室所有電源。教師通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在遠(yuǎn)端查看實(shí)驗(yàn)室情況，了解就位學(xué)生的信息，通過(guò)視頻觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀態(tài)與視頻答疑。學(xué)生通過(guò)座位對(duì)講實(shí)時(shí)與教師就實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行討論。平板電腦系統(tǒng)是一套給實(shí)驗(yàn)室管理者使用的便捷的APP客戶端系統(tǒng)（PAD），旨在提高開放式系統(tǒng)的使用便捷性，使管理層工作效率更加高效，從而更好的為本單位的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。平板電腦系統(tǒng)最重要的是統(tǒng)計(jì)功能。很多學(xué)校每年都要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)室自評(píng)工作，工作量較大而且數(shù)據(jù)無(wú)依據(jù)，很多數(shù)據(jù)都是臨時(shí)“造”出來(lái)的。此統(tǒng)計(jì)功能可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室或設(shè)備在過(guò)去一年或多年的使用記錄自動(dòng)匯總成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，省時(shí)省力且數(shù)據(jù)真實(shí)。

4 建設(shè)取得的成效

我校從2013年開始進(jìn)行開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和配套實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，目前實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了全天候開放、遠(yuǎn)程控制和智能化管理，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)上預(yù)約，刷卡（支持校園卡）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在派位成功的實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已取得了一些成效，如：（1）全面開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)儀器的利用率；（2）打破上課開門、下課關(guān)門的模式，為學(xué)生提供開放式教學(xué)服務(wù)，給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)環(huán)境；（3）保障實(shí)驗(yàn)室安全的同時(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量；（4）提高實(shí)驗(yàn)室管理水平，為領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃時(shí)提供真實(shí)數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]