付曉豹 楊冰銀

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，在實驗室管理方面，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實驗智能化管理，提高管理效率。文章通過在實驗室管理中使用到軟、硬件技術(shù)進行介紹，以實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理的目的。

關(guān)鍵詞：實驗室管理；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；軟硬件

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信之后信息技術(shù)的又一重大創(chuàng)新，我國已將物聯(lián)網(wǎng)明確列入《國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）》和2050年國家產(chǎn)業(yè)路線圖，2010年已把物聯(lián)網(wǎng)寫進《政府工作報告》，并納入我國發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的對策和建議到國家五大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，意味著物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)已正式列入國家戰(zhàn)略層次。隨著互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是全面滲入各行各業(yè)中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為人們在進行控制和管理更為便捷。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到高校在實驗室管理中，同樣可以提高實驗室的管理效率和實驗室的利用率。

1 當(dāng)前高校實驗室管理的現(xiàn)狀

高校實驗室是高校教學(xué)的重要場所之一，是學(xué)生檢驗理論的平臺，是教師科研的沃土。但在實驗室管理上由于實驗設(shè)備的復(fù)雜性，一直都比較落后，與現(xiàn)有教學(xué)手段不相適應(yīng)。當(dāng)前實驗室管理的主要特點表現(xiàn)在以下幾點：（1）管理手段相對落后，難以適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)教育的需要。大部分實驗室管理還處于手工管理階段，由管理員每天進行設(shè)備的分發(fā)與回收，造成了工作效率較低。（2）管理信息化程度較低，無法實現(xiàn)實驗室的開放。開放實驗室是提高實踐教學(xué)質(zhì)量的重要條件之一，但由于實驗室管理信息化程度較低，無法實現(xiàn)真正的實驗室開放。（3）安全問題。實驗室一些小器件，經(jīng)常會被學(xué)生無意帶出實驗室，造成實驗室不必要的損失。（4）各管理系統(tǒng)之間容易出現(xiàn)信息孤島。目前大部分學(xué)校都有實驗室管理系統(tǒng)，但各實驗室之間的數(shù)據(jù)大多互不相連，因此形成了信息孤島，從而造成實驗室資源無法充分利用[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室簡介

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室以信息智能化為核心目標(biāo)，圍繞信息采集智能化、信息處理智能化、信息顯示與推送智能化全面展開。信息采集智能化是智慧實驗室的關(guān)鍵技術(shù)，是有別于數(shù)字校園的顯著特征，智慧實驗室中的信息采集智能化設(shè)備具有自組網(wǎng)、自診斷、自修復(fù)、不間斷運行高穩(wěn)定性和高可靠性特點，能夠進行校園中的信息自動采集，減少信息采集中的人力投入，提高采集的準(zhǔn)確信和可靠性。信息處理智能化依靠云計算的強大處理能力，對信息進行分析、處理，為決策提供有力的數(shù)據(jù)保障[2]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗室的總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室要符合物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要是通過RFID和傳感器等硬件設(shè)備來獲取物體的信息。網(wǎng)絡(luò)層主要利用通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將感知層獲取的信息傳遞出去。應(yīng)用層是利用感知層得到的信息和網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)進行信息化處理，實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的功能。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室在總體架構(gòu)設(shè)計上也要符合物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)，如圖1所示。在感知層，主要通過各類檢測點和攝像頭作為數(shù)據(jù)采集的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)兩種方式，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。應(yīng)用層主要通過PC端或安卓手機端上的管理軟件實現(xiàn)對實驗室的管理和控制[3]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗室的實施方案

對普通實驗室的改造主要從門禁、窗簾、安防、電器控制等方面進行，從而形成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室。要實現(xiàn)智慧實驗室的功能，需要從物聯(lián)網(wǎng)感知層部署硬件。

（1）單路網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)（Network Video System，NVS）網(wǎng)關(guān)。1路視頻，最高分辨率到 D1，支持3G手機查看和Web訪問，視頻傳輸碼流可調(diào)整，MPEG4 編碼方式，自帶ZigBee網(wǎng)關(guān)，支持CMRTP協(xié)議，不可實現(xiàn)對講及抓拍。

（2）門禁控制方面主要硬件包括門禁考勤節(jié)點、指紋門禁RFID節(jié)點。禁考勤節(jié)點主要功能有無線單刷卡門禁系統(tǒng)，服務(wù)器對門與卡進行統(tǒng)一管理，記錄開門、刷卡、考勤信息，可設(shè)定多個時段開門，也可通過遠程指令開門，具有機械可開、遠程控制、刷卡、信號反饋、呼叫等功能。指紋門禁RFID節(jié)點主要功能有無線指紋門禁系統(tǒng)，存儲識別1 000枚指紋，ZigBee傳輸可視距離100 m，支持CMRTP協(xié)議，具有機械可開、遠程控制、信號反饋等功能。

（3）安防控制方面包括開啟關(guān)閉布防節(jié)點、聲光報警器節(jié)點、無線門磁探測節(jié)點、幕簾式紅外檢測節(jié)點、側(cè)墻式紅外檢測節(jié)點、吸頂式紅外檢測節(jié)點、火災(zāi)檢測節(jié)點、無線緊急呼叫節(jié)點。主要采用ZigBee協(xié)議來進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

開啟關(guān)閉布防節(jié)點的主要功能有無線遙控按鈕，對安防系統(tǒng)實現(xiàn)開啟、關(guān)閉布防。聲光報警器節(jié)點的主要功能有通過ZigBee接收NVS網(wǎng)關(guān)發(fā)來的信息，實現(xiàn)本地報警功能，嚇阻入侵者。無線門磁探測節(jié)點的主要功能有：傳感器檢測門窗的開關(guān)狀態(tài)，ZigBee接收NVS網(wǎng)關(guān)發(fā)來的信息。幕簾式紅外檢測節(jié)點主要應(yīng)用于窗戶，檢測區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報警信號。側(cè)墻式紅外檢測節(jié)點，安裝墻壁上，檢測區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報警信號。吸頂式紅外檢測節(jié)點，安裝在天花板上，檢測區(qū)域內(nèi)熱釋電，通過ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對區(qū)域內(nèi)的非法闖入發(fā)出報警信號。ZigBee火災(zāi)檢測節(jié)點，檢測區(qū)域內(nèi)煙霧濃度，通過ZigBee發(fā)送給NVS網(wǎng)關(guān)，對區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)發(fā)出報警信號。ZigBee無線緊急呼叫節(jié)點，無線緊急呼叫按鈕。

（4）實驗室控制方面。IC卡刷卡取電節(jié)點、燈光控制器節(jié)點、窗簾控制節(jié)點、光照度采集節(jié)點、RFID寫卡系統(tǒng)。

IC卡刷卡取電節(jié)點，無線控制電源控制器，采用ZigBee傳輸，可視距離可達到100 m，最大負載電流10 A，電壓220 V。燈光控制器節(jié)點為三路無線照明控制器。窗簾控制節(jié)點主要為無線窗簾控制控制器，具有左、右、停功能。光照度采集節(jié)點，采用APDS-9300數(shù)字光照度傳感器，實現(xiàn)對實驗室燈光的控制，進而實現(xiàn)節(jié)能的功能。RFID寫卡系統(tǒng)，實現(xiàn)刷卡取電的功能[4]。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗室的軟件設(shè)計

針對實驗室管理中的具體情況，實驗室的管理工作量大，并且不易管理，結(jié)合近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提升、智能終端設(shè)備性能的不斷提高，使得開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗室成為可能。信息顯示與推送智能化，利用計算機、平板、手機等多種平臺，實現(xiàn)跨平臺、多途徑，將有用的信息及時、準(zhǔn)確地推送到需要的信息管理者手中，實現(xiàn)信息的有效利用。因此，在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗室系統(tǒng)中，應(yīng)該包括以下模塊系統(tǒng)設(shè)置、教務(wù)管理、安全管理、設(shè)備管理、日志信息管理和使用幫助等六大模塊。其中系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括實驗室信息設(shè)定、實驗室布局設(shè)定、組織架構(gòu)設(shè)定、角色設(shè)定、教師管理和學(xué)生管理。教務(wù)管理主要針對實驗室的管理而設(shè)計，是系統(tǒng)的主要功能，該模塊主要包括實驗中心信息、實驗設(shè)定、課程設(shè)定、實驗預(yù)約、實驗預(yù)習(xí)、排課管理、開放實驗室管理、資料上傳、實驗報告管理、留言管理、通知管理、座位管理、日程安排。安全中心模塊主要包括服務(wù)器設(shè)置、一卡通管理、照明管理、插座電源管理、智能電源管理、視頻管理、門禁管理、警報布防管理、窗簾管理。儀器管理包插儀器信息管理、儀器狀態(tài)管理、維修管理、信用管理、消耗品管理。日志管理包括系統(tǒng)日志、警報日志和儀器日志。信息查詢模塊包括成績查詢、實驗課表查詢。

6 結(jié)語

通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)有實驗室進行升級，使得實驗管理人員從繁雜的實驗室管理工作中解脫出來，增加了實驗室管理的信息化程度，提高了實驗室管理的效率，同時使得各實驗室之間的信息能夠及時溝通，消除了信息孤島，提高了實驗室的利用率。

[參考文獻]

[1]王戰(zhàn)偉，段亞玉.高校開放實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012（7）：49-52.

[2]郭宏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室架構(gòu)研究[J].科技展望，2017（27）：16.

[3]張靜.基于智慧校園的實驗室室管理系統(tǒng)研究[J].無線互聯(lián)科技，2017（6）：118-119.

[4]周愛華.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室儀器設(shè)備管理中的運用[J].中國教育信息化，2015（5）：52-53.