基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 江蘇·南京 210023）

現(xiàn)如今，在新工科理念與背景下，為了能夠更好地拓展學(xué)生的思維、培養(yǎng)學(xué)生良好地創(chuàng)新精神與能力，高校非常重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室管理方面，很多高校依然沿用傳統(tǒng)、落后的管理模式與理念，缺乏一定的先進(jìn)性與實(shí)效性，使得實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的效果并不顯著，影響實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用水平的提高。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸發(fā)展和廣泛應(yīng)用，重視并強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是非常可取的。積極地設(shè)計(jì)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室的教育與學(xué)習(xí)資源進(jìn)行更好地整合，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的模式與路徑，能夠更好地破除傳統(tǒng)、落后實(shí)驗(yàn)室管理模式的局限與禁錮，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理效率與品質(zhì)的更好提高。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念及內(nèi)涵

目前，物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前新一代信息技術(shù)發(fā)展的另一階段。所謂的物聯(lián)網(wǎng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將物與物相連的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)與前提是互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)促進(jìn)物物之間的信息交換與通信，同時(shí)通過(guò)普適計(jì)算、識(shí)別技術(shù)以及智能遙感等技術(shù)的應(yīng)用，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展更為先進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用范圍得以拓展的表現(xiàn)與形式，而其核心就是應(yīng)用創(chuàng)新，靈魂就是以用戶體驗(yàn)為核心的創(chuàng)新。

目前，物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為推動(dòng)世界高速發(fā)展的重要生產(chǎn)力，其一方面能夠節(jié)約成本，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的大大提高，另一方面能夠?yàn)槿蚪?jīng)濟(jì)的復(fù)蘇與發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的相關(guān)產(chǎn)品能夠服務(wù)于個(gè)人健康、工業(yè)監(jiān)測(cè)、智能消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、交通物流以及智能家居等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，具有技術(shù)優(yōu)、質(zhì)量好、成本低、專業(yè)性強(qiáng)，能夠滿足客戶需求的綜合性優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)閺V大客戶提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品和更好地服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)是各類感知技術(shù)廣泛應(yīng)用的載體，也是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一種泛在網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的智能處理能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能化管控。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)將智能處理與傳感器的有效融合，運(yùn)用模式識(shí)別、云計(jì)算等多種智能技術(shù)，使得物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域得以更好地?cái)U(kuò)展與延伸。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)將傳感器中的海量信息進(jìn)行分析、整理、加工與處理后，形成多種能夠滿足不同用戶需求的數(shù)據(jù)，給人們的工作和生活帶來(lái)極大的便利。

從技術(shù)架構(gòu)角度來(lái)分析，物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層這三層結(jié)構(gòu)。感知層主要是由各類傳感器及其內(nèi)部網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，如濕度、溫度、二氧化碳濃度傳感器、RFID與二維碼標(biāo)簽、攝像頭、讀寫器以及GPS終端等。同時(shí)感知層就如同人的皮膚、眼睛、耳鼻喉等末梢神經(jīng)，其能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行識(shí)別，對(duì)信息進(jìn)行采集。網(wǎng)絡(luò)層主要指的是有線網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、私有網(wǎng)格、云計(jì)算平臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等，就如同人的大腦和中樞神經(jīng)，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行傳遞與處理。應(yīng)用層則是物聯(lián)網(wǎng)與人、組織和其他系統(tǒng)等用戶的接口，經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)需求的有效結(jié)合，使得物聯(lián)網(wǎng)智能化的作用有效發(fā)揮出來(lái)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性

目前，很多高校的實(shí)驗(yàn)室管理都缺乏一定的機(jī)制與流程，管理的思路與理念也比較單一和局限化，實(shí)驗(yàn)室的利用效率不高，管理水平低下，影響高校實(shí)驗(yàn)室育才作用的發(fā)揮。而在近幾年中，隨著互聯(lián)網(wǎng)科學(xué)信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展速度與水平也在不斷提高。在設(shè)計(jì)高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)Ω咝?shí)驗(yàn)室的各類資源進(jìn)行整合與優(yōu)化，達(dá)到物盡其用，能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的管理工作更好開展與進(jìn)行。與此同時(shí)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的更好設(shè)計(jì)，能夠有效地克服當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室管理方面的局限與不足，從而對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)施更加高校的管理，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的管理模式變得更加智能化、信息化與科技化，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用效率、效果與品質(zhì)。

此外，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)實(shí)施科學(xué)化、合理化的設(shè)計(jì)，能夠給實(shí)驗(yàn)室教學(xué)工作帶來(lái)更多的便利，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)流程，更易于培養(yǎng)與激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激勵(lì)學(xué)生更加積極、主動(dòng)的參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中來(lái)。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)實(shí)施智能化設(shè)計(jì)，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)與科學(xué)研究精神的提升非常有利，給學(xué)生創(chuàng)造更加優(yōu)越和和諧的實(shí)驗(yàn)氛圍，推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)管理水平、教學(xué)水平的雙向提升。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方略探究

為了能夠設(shè)計(jì)出更加智能化、科學(xué)化與高效化的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效應(yīng)用，明確實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，從整體與局部?jī)蓚€(gè)方面展開管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)更加智能化與信息化。下面對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法與策略進(jìn)行更好地探究與討論：

3.1 明確實(shí)驗(yàn)室智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

在展開實(shí)驗(yàn)室智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之前，高校要先對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行明確，結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前管理的現(xiàn)狀與局限，了解與掌握實(shí)驗(yàn)室中所有儀器設(shè)備的種類，并對(duì)每類設(shè)備、儀器各部件及其功能進(jìn)行認(rèn)知，掌握其適用的條件和環(huán)境，從而進(jìn)行科學(xué)化設(shè)計(jì)與智能化管理。在運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)時(shí)，要結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況來(lái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，感知層主要是獲取信息，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣、光照度、溫濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)通過(guò)掃描設(shè)備來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、器材等信息進(jìn)行獲取和快速、精準(zhǔn)的識(shí)別，并運(yùn)用無(wú)線傳輸技術(shù)將這些采集的信息傳輸?shù)街锌卮鎯?chǔ)單元中。而網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)主要是按照實(shí)驗(yàn)室實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是能夠準(zhǔn)確、快速的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌貑卧?。?yīng)用層的設(shè)計(jì)主要就是建立數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，主要目標(biāo)是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)感知、加工與處理。

3.2 明確實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)時(shí)，要先設(shè)計(jì)一個(gè)總體框架，然后再往里面填充內(nèi)容。因此，明確實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃是非常必要的。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系中，應(yīng)用層要與行業(yè)需求進(jìn)行有效融合，這樣才能夠促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用價(jià)值的更好實(shí)現(xiàn)。同時(shí)Web端與手持端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也是不可或缺的。為了能夠運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一套能夠適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及輔助教學(xué)等功能為一體的智能化、綜合性的管理系統(tǒng)，感知環(huán)境信息、無(wú)線傳輸、在線學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備存儲(chǔ)等功能是必備的。將物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)理念與高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的融合，以模塊化或者層次化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，能夠推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具內(nèi)聚性和實(shí)效性。

3.3 重視實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

在明確了實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和整體設(shè)計(jì)規(guī)劃以后，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)就是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)與流程。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)獲取功能、集成中控以及存儲(chǔ)功能的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的更好實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)展開研究與分析：

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取功能的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取功能的目的主要在于都實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備信息、實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)或者情況、內(nèi)部環(huán)境信息等進(jìn)行獲取，實(shí)施采集和錄入實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)等信息，最后將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)较到y(tǒng)集成中控。在采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，主要應(yīng)用傳感器以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣、光照、溫度以及濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將傳感器作為系統(tǒng)元器件，與微控制器進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息目標(biāo)。微控制器一般運(yùn)用ARM Cortex-M3，并以ZigBee模塊作為無(wú)線傳輸，再結(jié)合傳感器來(lái)感知實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備要按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，按設(shè)備的類型、序號(hào)、實(shí)驗(yàn)室號(hào)、所屬樓號(hào)等按照一定的順序和規(guī)則進(jìn)行組合，構(gòu)建和形成統(tǒng)一格式的條形編碼，并借助條形編碼來(lái)生成打印條碼，再運(yùn)用掃描槍來(lái)進(jìn)行掃碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息的查看。

3.3.2 集成中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)中，集成中控的作用就是傳輸數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)。在感知器接收到設(shè)備數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以后，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到中控端。在設(shè)計(jì)集成中控系統(tǒng)時(shí)，必須要構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，嵌入的內(nèi)容主要有兩個(gè)部分，其分別是軟件部分和硬件部分。硬件主要是運(yùn)用集成開發(fā)板，軟件主要是運(yùn)用Linux系統(tǒng)并搭建交叉編譯環(huán)境arm-linux-gcc，運(yùn)用這個(gè)嵌入式的操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，處理環(huán)境信息，傳輸數(shù)據(jù)。

3.3.3 存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，要對(duì)集成中控單元傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將解析的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中。再將實(shí)驗(yàn)課程所學(xué)的所有教育內(nèi)容和資源進(jìn)行錄入，設(shè)置相應(yīng)的訪問(wèn)功能。運(yùn)用 SQL Server系統(tǒng)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。與此同時(shí)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與系統(tǒng)的更好交互，結(jié)合不同用戶的實(shí)際需求，將實(shí)驗(yàn)資源或者環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分享或者呈現(xiàn)給不同的用戶，要應(yīng)用PC端和手機(jī)端來(lái)給用戶提供實(shí)時(shí)查詢功能，而這些可查詢的功能主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能、設(shè)備管理功能以及環(huán)境監(jiān)測(cè)功能等，學(xué)生或者教師通過(guò)手機(jī)或者電腦就可以應(yīng)用在線課堂、學(xué)習(xí)資源、設(shè)備管理以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，提升實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果與應(yīng)用價(jià)值，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效率的全面提升提供良好地基礎(chǔ)和保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，面對(duì)當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室管理的實(shí)際情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)智能化的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理工作更加方便、快捷與高效，便于用戶使用與管理，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的更好開展、管理工作的更好進(jìn)行、學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的更好組織與進(jìn)行非常有利。