基于物聯網技術的實驗室智能化管理的架構設計與探討

李敏+文燕+李為民

摘 要：隨著物聯網技術的發展，實驗室智能化管理的改革也提上日程。通過對高職院校若干實驗室現狀的分析和目前使用中存在的問題，針對基于物聯網技術的實驗室智能化管理的架構設計，提出了改革方案和思路，詳細討論了架構中教學管理、資源利用、安全設施等功能模塊的運用情況，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：物聯網技術；實驗室；智能化管理；功能模塊

中圖分類號：TN391.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.011

科學實驗是知識的源泉，實驗室是科技成果的搖籃，高校實驗室是人才培養的基地?，F代教育提倡理實一體化，理論與實踐相結合，教學過程更注重實踐動手環節，實驗教學在教學課程體系中占1/2的比例，甚至更高，所以，必須要重視高校實驗室建設，這樣有利于促進人才的成長。

隨著科技的進步，實驗室必須跟上科技發展的節奏，不斷改進，才能為學生、教師、科研人員創造一個良好的教學、科研基地。

1 高職院校實驗室現狀分析

目前，我校信息分院有電子電工實驗室、計算機基礎實驗室、計算機專用機房實驗室、物聯網實驗室和語音實驗室等。根據我校實驗室的具體情況，同時，參觀走訪若干兄弟院校，從多角度調查分析，綜合學生反饋的普遍問題，總結高職院校實驗室中存在的主要問題。

1.1 存在的問題

1.1.1 軟硬件設備老化

以計算機為例，許多電腦是若干年前購置的，有的甚至超過10年以上，硬件不完整、損壞、反應遲鈍，軟件安裝困難，軟件運行緩慢，這些情況許多高職院校都或多或少地存在。

1.1.2 儀器設備管理落后

許多管理還是傳統的手工方式，設備的數量、名稱、規格、型號和采購時間等基本信息保存殘缺；設備的報廢處理、去留要么過程煩瑣，要么空白；耗材的采購、使用、庫存登記不規范；資產統計不明，等等。

1.1.3 日常維護不及時

設備損壞、出現故障，不能及時發現，即使發現也不能及時維護，對教學造成嚴重的影響。

1.1.4 共享差

據調查，實驗設備很多沒有對外開放，許多僅限于上課使用，設備利用率不高，空置浪費現象明顯。

1.1.5 實驗室布置沒有與時俱進

學生反映最嚴重的一個問題就是實驗室布置跟不上人數變化。由于專業不同，學生人數也不同。上課時，很多公共課是大課，幾個班上百人齊聚一堂，這就涉及到實驗室的分配問題。比如計算機基礎課，就存在著大的機房也可能不能滿足一人一臺電腦的問題。這時，總會將學生分散在不同的機房。這樣做，既不利于教師教學，也不利于教師指導和答疑。反之，在公共大機房，幾個老師同時上不同的課，又會相互影響和干擾，教學質量不能保證，師生甚是痛苦。

1.1.6 人為破壞難以把控

令實驗室管理人員頭痛的一件事是個別調皮學生對實驗設備的人為損壞。比如，將鍵盤的鍵摳出來任意打亂，將鼠標線截斷等，造成小零件丟失。雖然實驗室安裝有攝像頭監控，但這些不起眼的動作還是很難監控到的。

1.2 改善實驗室現有的條件

為了跟上科技發展的步伐，目前，各高職院校都在進行實驗室改革，經費上也給予了大力支持，有很多成熟的實驗室商業管理軟件可以借鑒。借助物聯網技術、網絡技術、虛擬技術的支持，國內各高校網絡全方位無死角覆蓋，一卡通系統為師生的生活提供了極大的便利，為實現智能化實驗室提供了必要條件。依托現代信息技術管理實驗室，將實驗室管理人員從煩瑣的基礎工作中解放出來，給他們騰出更多寶貴的時間和精力開展創造性工作。

2 基于物聯網技術的實驗室管理架構設計

2.1 實驗室布置

為了解決實驗課上課人數不確定性的問題，實驗室的布置采用大型多隔板空間的方式。具體設計方案以計算機公共機房為例，如圖1所示。大型實驗室通過隔音活動隔板的任意移動組合來滿足不同人數的需求，既有獨立的小空間，互不干擾，又有大空間，滿足大課的要求。

2.2 架構設計

2.2.1 物聯網技術的定義

利用射頻識別技術（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、

激光掃描器等傳感設備，按照約定的協議，將物體與物體通過互聯網連接，進行信息交換和通訊，實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡技術，我們將其稱為“物—物相聯”。

“物聯網技術”是在互聯網技術的基礎上延伸和擴展的一種網絡技術，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，有效實現了信息的交換和通訊。

2.2.2 總體架構

智慧實驗室依托校園網平臺，將其作為校園網的組成部分進行統一的管理和分配，如圖2所示?；谖锫摼W技術的智慧實驗室，依托物聯網的三層架構，分為感知層、網絡層和應用層，如圖3所示。

2.2.2.1 基礎設施感知層架構

基礎設施感知層主要采用可感知環境的硬件設備來采集數據，并向網絡層傳遞數據。射頻識別（RFID）技術是物聯網的關鍵技術，RFID使用RFID讀寫器和附著于目標物的RFID標簽，利用頻率信號將信息由RFID標簽傳送至RFID讀寫器。校園一卡通適用于實驗室門禁出入、設備借還、設備臺開關、電子計時和費用扣減。各類由敏感元件和轉換元件構成的傳感器，用于采集實驗室的溫度、濕度、灰塵、氣體含量，并根據預設閾值超標報警的檢測來消除安全隱患。在此，可以安裝防盜裝置，比如紅外線檢測器。紅外檢測器可布置為吸頂式、壁掛式、幕簾式，全方位無死角監測。同時，還可安置報警器和視頻監控器等，通過網絡實現遠程傳輸和視頻信號同步?；A設施感知層架構如圖4所示。

2.2.2.2 傳輸層架構

傳輸層也叫網絡層，顧名思義，將從感知層獲得的數據通過某種介質進行信息交換。傳輸層由接入網和傳輸網組成，光纖接入、無線接入等屬于典型的接入網，電信網、廣電網等屬于傳輸網?，F有的校園網為實驗室搭建底層傳感器網絡、RFID網絡實現最后1 km的接入。

2.2.2.3 平臺應用層架構

平臺應用層的智能化與否是實驗室管理是否智能化的重要體現。相對于傳統管理，智能化應用平臺應著重解決以下問題：①提高實驗設備的利用率，空閑設備對外開放。受到條件限制，高職院校的實驗室主要用來教學，學生除了課堂內使用，其余時間不對外開放。這大大降低了設備的使用率，造成了設備閑置浪費。另外，學生實踐知識的拓展也受到了限制。②將實驗室工作人員從煩瑣安排實驗場所的工作中解放出來。系統可實現自動排課、空閑設備預約使用，使用人員可通過手機、電腦等客戶端在管理系統網站提前預約，包括使用時間段、使用地點、使用設備號等。這樣做，大大節省了人力資源，同時，所提供的統計數據也是精確、可靠的，避免了人工操作帶來的重復問題。③設備使用對號入座；責任擔當，不可推卸；利用校園一卡通識別身份。如果條件允許，可拓展到指紋識別、臉譜識別。這樣既是對學生的一種行為約束，也是對學生的一種自我保護。④日志查詢精準可靠，學生實驗自動批改。平臺應用層管理軟件系統結構如圖5所示。

3 實驗室信息安全

實驗室進入智能化管理階段，隨之而來的就是信息安全面臨的威脅，主要體現在網絡入侵和病毒破壞方面。黑客入侵和病毒日益猖獗，攻擊方式層出不窮，造成資源浪費、數據被破壞、網絡癱瘓，給實驗室智能化管理帶來嚴重的負面影響。

所謂“魔高一尺，道高一丈”，對于數據保密性和重要性高的實驗室，要配備專業維護人員，充分利用數據加密、訪問控制、數字簽名、端口保護、防火墻等技術，屏蔽可能的網絡入侵行為，及時殺毒、備份數據。

4 結束語

實驗室智能化是高校發展的必然趨勢，智能化體現在方方面面——資源共享、管理方便、數據精準……物聯網技術為智能化實驗室的實現提供了技術支持和物理實現。盡管物聯網技術是最近幾年發展起來的新興事物，還處于起步發展階段，但它在各行各業中發揮著不可取代的作用，影響著人們的生活。當然，隨著信息化的發展，實驗室管理中也出現了新的問題，比如網絡安全、教學環境、管理模式的改革等。發展機遇伴隨著新的挑戰，前進的道路沒有盡頭，實驗室的發展還需要繼續研究和探討。

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〔編輯：白潔〕