基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室智能化管理的架構(gòu)設(shè)計與探討

李敏+文燕+李為民

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)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(xiàn)狀的分析和目前使用中存在的問題，針對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室智能化管理的架構(gòu)設(shè)計，提出了改革方案和思路，詳細討論了架構(gòu)中教學管理、資源利用、安全設(shè)施等功能模塊的運用情況，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；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(yǎng)的基地?，F(xiàn)代教育提倡理實一體化，理論與實踐相結(jié)合，教學過程更注重實踐動手環(huán)節(jié)，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(shè)，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(fā)展的節(jié)奏，不斷改進，才能為學生、教師、科研人員創(chuàng)造一個良好的教學、科研基地。

1 高職院校實驗室現(xiàn)狀分析

目前，我校信息分院有電子電工實驗室、計算機基礎(chǔ)實驗室、計算機專用機房實驗室、物聯(lián)網(wǎng)實驗室和語音實驗室等。根據(jù)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(diào)查分析，綜合學生反饋的普遍問題，總結(jié)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(shè)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(yīng)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(shè)備管理落后

許多管理還是傳統(tǒng)的手工方式，設(shè)備的數(shù)量、名稱、規(guī)格、型號和采購時間等基本信息保存殘缺；設(shè)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(guī)范；資產(chǎn)統(tǒng)計不明，等等。

1.1.3 日常維護不及時

設(shè)備損壞、出現(xiàn)故障，不能及時發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)也不能及時維護，對教學造成嚴重的影響。

1.1.4 共享差

據(jù)調(diào)查，實驗設(shè)備很多沒有對外開放，許多僅限于上課使用，設(shè)備利用率不高，空置浪費現(xiàn)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(shù)變化。由于專業(yè)不同，學生人數(shù)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(chǔ)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(zhì)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(diào)皮學生對實驗設(shè)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(jiān)控，但這些不起眼的動作還是很難監(jiān)控到的。

1.2 改善實驗室現(xiàn)有的條件

為了跟上科技發(fā)展的步伐，目前，各高職院校都在進行實驗室改革，經(jīng)費上也給予了大力支持，有很多成熟的實驗室商業(yè)管理軟件可以借鑒。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)的支持，國內(nèi)各高校網(wǎng)絡(luò)全方位無死角覆蓋，一卡通系統(tǒng)為師生的生活提供了極大的便利，為實現(xiàn)智能化實驗室提供了必要條件。依托現(xiàn)代信息技術(shù)管理實驗室，將實驗室管理人員從煩瑣的基礎(chǔ)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(chuàng)造性工作。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室管理架構(gòu)設(shè)計

2.1 實驗室布置

為了解決實驗課上課人數(shù)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(shè)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(shù)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(gòu)設(shè)計

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義

利用射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、

激光掃描器等傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物體與物體通過互聯(lián)網(wǎng)連接，進行信息交換和通訊，實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，我們將其稱為“物—物相聯(lián)”。

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸和擴展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，有效實現(xiàn)了信息的交換和通訊。

2.2.2 總體架構(gòu)

智慧實驗室依托校園網(wǎng)平臺，將其作為校園網(wǎng)的組成部分進行統(tǒng)一的管理和分配，如圖2所示?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室，依托物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示。

2.2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施感知層架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施感知層主要采用可感知環(huán)境的硬件設(shè)備來采集數(shù)據(jù)，并向網(wǎng)絡(luò)層傳遞數(shù)據(jù)。射頻識別（RFID）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，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(shè)備借還、設(shè)備臺開關(guān)、電子計時和費用扣減。各類由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)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(jù)預設(shè)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(jiān)測。同時，還可安置報警器和視頻監(jiān)控器等，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程傳輸和視頻信號同步?；A(chǔ)設(shè)施感知層架構(gòu)如圖4所示。

2.2.2.2 傳輸層架構(gòu)

傳輸層也叫網(wǎng)絡(luò)層，顧名思義，將從感知層獲得的數(shù)據(jù)通過某種介質(zhì)進行信息交換。傳輸層由接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)組成，光纖接入、無線接入等屬于典型的接入網(wǎng)，電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)等屬于傳輸網(wǎng)?，F(xiàn)有的校園網(wǎng)為實驗室搭建底層傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)最后1 km的接入。

2.2.2.3 平臺應(yīng)用層架構(gòu)

平臺應(yīng)用層的智能化與否是實驗室管理是否智能化的重要體現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)管理，智能化應(yīng)用平臺應(yīng)著重解決以下問題：①提高實驗設(shè)備的利用率，空閑設(shè)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(nèi)使用，其余時間不對外開放。這大大降低了設(shè)備的使用率，造成了設(shè)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(tǒng)可實現(xiàn)自動排課、空閑設(shè)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(tǒng)網(wǎng)站提前預約，包括使用時間段、使用地點、使用設(shè)備號等。這樣做，大大節(jié)省了人力資源，同時，所提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也是精確、可靠的，避免了人工操作帶來的重復問題。③設(shè)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(yīng)用層管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)被破壞、網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)保密性和重要性高的實驗室，要配備專業(yè)維護人員，充分利用數(shù)據(jù)加密、訪問控制、數(shù)字簽名、端口保護、防火墻等技術(shù)，屏蔽可能的網(wǎng)絡(luò)入侵行為，及時殺毒、備份數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

實驗室智能化是高校發(fā)展的必然趨勢，智能化體現(xiàn)在方方面面——資源共享、管理方便、數(shù)據(jù)精準……物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能化實驗室的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持和物理實現(xiàn)。盡管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的新興事物，還處于起步發(fā)展階段，但它在各行各業(yè)中發(fā)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(fā)展，實驗室管理中也出現(xiàn)了新的問題，比如網(wǎng)絡(luò)安全、教學環(huán)境、管理模式的改革等。發(fā)展機遇伴隨著新的挑戰(zhàn)，前進的道路沒有盡頭，實驗室的發(fā)展還需要繼續(xù)研究和探討。

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〔編輯：白潔〕