基于物聯(lián)網(wǎng)技術的開放式物理實驗室建設

吳萍　高興茹

【摘 要】開放式物理實驗教學是當前物理實驗教學改革的必然趨勢。為適用開放式實驗教學，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于開放實驗室系統(tǒng)建設， 實現(xiàn)了物理實驗室全天候安全開放，提高了實驗室的智能化管理水平。

【關鍵詞】開放式實驗室；物聯(lián)網(wǎng)；實驗室建設

0 引言

為了適用開放式實驗教學，很多高校都開放物理實驗室，早期采用人工進行實驗室開放，或采用單機版的管理軟件進行開放管理，這些管理方式存在工作煩瑣，效率低下等弊端。例如，學生不能及時了解開放性實驗內(nèi)容以及實驗時間的信息；學生必須到實驗室去預約，由實驗室教師登記等。近年來，隨著網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展，針對開放實驗室智能化管理需求，從不同角度出發(fā)，也提出了許多開放實驗室信息管理系統(tǒng)方案，如機房自動管理系統(tǒng)等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設備管理、實驗項目管理、預約管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計報表等方面，不同程度實現(xiàn)了實驗室的信息化管理，盡管如此，但除了計算機機房以外，其它開放普通實驗室，由于沒有計算機及網(wǎng)絡設備，大多存在自動化管理程度不高的問題。針對這種情況，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于開放實驗室的管理，利用門禁、觸屏派位、視頻監(jiān)控、平板電腦終端、設備控制器與智能電源插座等，結合基于B/S結構的開放式實驗室web管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了物理實驗室全天候安全開放，提高了開放實驗室的智能化管理水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，獲取各種應用需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結合形成的一個巨大網(wǎng)絡。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構成，它的主要作用是識別物體、采集信息。網(wǎng)絡層主要作用是進行信息和數(shù)據(jù)的傳輸，主要利用現(xiàn)有的比較成熟的計算機網(wǎng)絡技術及移動通信技術。應用層主要作用是將感知層采集到的信息和數(shù)據(jù)進行分析處理，在實際的環(huán)境中進行應用，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)需求相結合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療等應用。硬件系統(tǒng)主要集中在感知層和網(wǎng)絡層、軟件系統(tǒng)主要集中在應用層，其中可能用到一些中間件技術、系統(tǒng)集成技術等。從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構可看出，物聯(lián)網(wǎng)從感知信息，傳輸信息，到處理應用信息用到了若干技術，也涉及到許多硬件和軟件，物聯(lián)網(wǎng)是一個綜合性的概念和提法。

2 硬件建設

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的開放式物理實驗室管理系統(tǒng)硬件支撐平臺如圖1所示。其中，開放式物理實驗室系統(tǒng)的服務器是根基，所有的硬件連接和很多軟件系統(tǒng)都集中在這個服務器上，服務器接入校園網(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)直接與服務器連接，平板電腦終端通過校園無線網(wǎng)絡與服務器連接，所有的數(shù)據(jù)存儲在磁盤陣列中。實驗室中的各個設備的電源通過電源控制器經(jīng)過集線器、轉換器與觸摸屏的串口連接。

硬件建設首先要對原有實驗室基礎設施（主要為強電、弱電、網(wǎng)絡改造）進行基本改造，然后增加監(jiān)控、門禁、物聯(lián)網(wǎng)終端等硬件設備，整合原有教學系統(tǒng)軟件，進行軟硬件系統(tǒng)集成。具體建設內(nèi)容有：（1）基礎設施改造：對實驗室進行弱電、網(wǎng)絡改造。要在門、實驗臺、監(jiān)控點布設弱電及網(wǎng)絡線路，為開放式實驗室的建設提供基本的網(wǎng)絡環(huán)境。（2）可視對講監(jiān)控系統(tǒng)：在實驗室安裝監(jiān)控攝像頭和對講終端。同時建設對講監(jiān)控服務設備，包含網(wǎng)絡硬盤錄像機、交換機、監(jiān)控專用硬盤，保障監(jiān)控系統(tǒng)的高效、安全、穩(wěn)定運行。（3）門禁：在實驗室和樓層的走廊端安裝門禁。（4）觸控派位機：安裝觸控派位機。在實驗樓每層的走廊口安裝一臺派位機，配合開放式實驗室web管理系統(tǒng)軟件用于學生刷卡、信息查詢等。（5）觸控控制器：安裝觸控控制器。每臺觸控派位機配置1臺觸控控制器，用于觸控派位機與設備控制器的通信。（6）設備運行控制器：安裝設備運行控制器。每個實驗臺配置1臺設備控制器，作為開放式實驗室管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制終端，用于實驗臺電源遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸。（7）短信貓：配置1臺短信貓，安裝在服務器上。用于開放式實驗室預警信息、提示信息等發(fā)布。（8）PAD客戶端：建設pad客戶端。Pad客戶端的建設將實現(xiàn)整個開放式實驗室管理系統(tǒng)跨平臺使用，支持移動終端服務。使學生、教師能隨時隨地，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)技術的開放式物理實驗室管理軟件平臺由實驗室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)是開放式實驗室管理軟件系統(tǒng)的重要組成部分，是整個系統(tǒng)的基礎。結合實驗室開放實際需要，具有各種功能，包括：學生預約實驗、實驗室拓撲管理、預約信息管理、通知公告管理、預約規(guī)則管理、校園卡掛失管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計。本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過刷卡啟動電源控制器控制實驗臺電源從而達到開放使用的目的。系統(tǒng)細化各項管理，進一步提高了實驗教學的開放性和交互性；為學生提供了一個自主的學習環(huán)境，為教師的開放教學提供了有力的基礎支持；為提高實驗儀器設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)”，是開放式實驗室管理軟件系統(tǒng)的核心組成部分。開放式實驗室管理面臨的重大挑戰(zhàn)是安全的問題，這其中首當其沖的就是用電的安全。通過電源控制子系統(tǒng)的學生座位電源控制模塊實現(xiàn)對學生用電的管理，是保證開放式實驗室安全的重要手段。電源控制子系統(tǒng)是通過管理柜員機（觸摸屏）和座位電源控制單元等硬件設施，實現(xiàn)實驗室座位的電源管理。觸控系統(tǒng)配置微型攝像頭，實現(xiàn)學生派位時照相功能，可有效的防止學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生的彩色照片。整個電源控制系統(tǒng)主要面向兩個角色：學生和教師（管理員）。學生通過所持校園卡，請求使用實驗室座位，系統(tǒng)根據(jù)教師（管理員）定義的規(guī)則（排位規(guī)則），為學生分配座位，并自動啟動電源。在完成實驗后，通過刷卡關閉相應的電源。教師（管理員）用戶通過系統(tǒng)登錄，在權限允許的條件下，遠程單獨或批量控制實驗室所有電源。教師通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在遠端查看實驗室情況，了解就位學生的信息，通過視頻觀察學生實驗狀態(tài)與視頻答疑。學生通過座位對講實時與教師就實驗問題進行討論。平板電腦系統(tǒng)是一套給實驗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驗教學服務。平板電腦系統(tǒng)最重要的是統(tǒng)計功能。很多學校每年都要進行一次實驗室自評工作，工作量較大而且數(shù)據(jù)無依據(jù)，很多數(shù)據(jù)都是臨時“造”出來的。此統(tǒng)計功能可以根據(jù)實驗室或設備在過去一年或多年的使用記錄自動匯總成統(tǒng)計報表，省時省力且數(shù)據(jù)真實。

4 建設取得的成效

我校從2013年開始進行開放式物理實驗教學改革和配套實驗室的建設，目前實驗室實現(xiàn)了全天候開放、遠程控制和智能化管理，學生通過網(wǎng)上預約，刷卡（支持校園卡）進入實驗室，在派位成功的實驗臺實驗。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的開放式實驗室建設已取得了一些成效，如：（1）全面開放實驗教學資源，提高實驗室、實驗儀器的利用率；（2）打破上課開門、下課關門的模式，為學生提供開放式教學服務，給學生提供自主學習環(huán)境；（3）保障實驗室安全的同時，提高教學質量；（4）提高實驗室管理水平，為領導進行實驗室建設規(guī)劃時提供真實數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)。

【參考文獻】

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[3]王為，王春潮.關于開放式實驗室建設的思考與探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：272-273.

[責任編輯：楊玉潔]