基于物联网技术的实验室智能化管理的架构设计与探讨

2017-07-01 17:54李敏文燕李为民
科技与创新 2017年11期
关键词:智能化管理功能模块物联网技术

李敏+文燕+李为民

摘 要:随着物联网技术的发展,实验室智能化管理的改革也提上日程。通过对高职院校若干实验室现状的分析和目前使用中存在的问题,针对基于物联网技术的实验室智能化管理的架構设计,提出了改革方案和思路,详细讨论了架构中教学管理、资源利用、安全设施等功能模块的运用情况,以期为日后的相关工作提供参考。

关键词:物联网技术;实验室;智能化管理;功能模块

中图分类号:TN391.7 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.011

科学实验是知识的源泉,实验室是科技成果的摇篮,高校实验室是人才培养的基地。现代教育提倡理实一体化,理论与实践相结合,教学过程更注重实践动手环节,实验教学在教学课程体系中占1/2的比例,甚至更高,所以,必须要重视高校实验室建设,这样有利于促进人才的成长。

随着科技的进步,实验室必须跟上科技发展的节奏,不断改进,才能为学生、教师、科研人员创造一个良好的教学、科研基地。

1 高职院校实验室现状分析

目前,我校信息分院有电子电工实验室、计算机基础实验室、计算机专用机房实验室、物联网实验室和语音实验室等。根据我校实验室的具体情况,同时,参观走访若干兄弟院校,从多角度调查分析,综合学生反馈的普遍问题,总结高职院校实验室中存在的主要问题。

1.1 存在的问题

1.1.1 软硬件设备老化

以计算机为例,许多电脑是若干年前购置的,有的甚至超过10年以上,硬件不完整、损坏、反应迟钝,软件安装困难,软件运行缓慢,这些情况许多高职院校都或多或少地存在。

1.1.2 仪器设备管理落后

许多管理还是传统的手工方式,设备的数量、名称、规格、型号和采购时间等基本信息保存残缺;设备的报废处理、去留要么过程烦琐,要么空白;耗材的采购、使用、库存登记不规范;资产统计不明,等等。

1.1.3 日常维护不及时

设备损坏、出现故障,不能及时发现,即使发现也不能及时维护,对教学造成严重的影响。

1.1.4 共享差

据调查,实验设备很多没有对外开放,许多仅限于上课使用,设备利用率不高,空置浪费现象明显。

1.1.5 实验室布置没有与时俱进

学生反映最严重的一个问题就是实验室布置跟不上人数变化。由于专业不同,学生人数也不同。上课时,很多公共课是大课,几个班上百人齐聚一堂,这就涉及到实验室的分配问题。比如计算机基础课,就存在着大的机房也可能不能满足一人一台电脑的问题。这时,总会将学生分散在不同的机房。这样做,既不利于教师教学,也不利于教师指导和答疑。反之,在公共大机房,几个老师同时上不同的课,又会相互影响和干扰,教学质量不能保证,师生甚是痛苦。

1.1.6 人为破坏难以把控

令实验室管理人员头痛的一件事是个别调皮学生对实验设备的人为损坏。比如,将键盘的键抠出来任意打乱,将鼠标线截断等,造成小零件丢失。虽然实验室安装有摄像头监控,但这些不起眼的动作还是很难监控到的。

1.2 改善实验室现有的条件

为了跟上科技发展的步伐,目前,各高职院校都在进行实验室改革,经费上也给予了大力支持,有很多成熟的实验室商业管理软件可以借鉴。借助物联网技术、网络技术、虚拟技术的支持,国内各高校网络全方位无死角覆盖,一卡通系统为师生的生活提供了极大的便利,为实现智能化实验室提供了必要条件。依托现代信息技术管理实验室,将实验室管理人员从烦琐的基础工作中解放出来,给他们腾出更多宝贵的时间和精力开展创造性工作。

2 基于物联网技术的实验室管理架构设计

2.1 实验室布置

为了解决实验课上课人数不确定性的问题,实验室的布置采用大型多隔板空间的方式。具体设计方案以计算机公共机房为例,如图1所示。大型实验室通过隔音活动隔板的任意移动组合来满足不同人数的需求,既有独立的小空间,互不干扰,又有大空间,满足大课的要求。

2.2 架构设计

2.2.1 物联网技术的定义

利用射频识别技术(RFID)、红外感应器、全球定位系统、

激光扫描器等传感设备,按照约定的协议,将物体与物体通过互联网连接,进行信息交换和通讯,实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术,我们将其称为“物—物相联”。

“物联网技术”是在互联网技术的基础上延伸和扩展的一种网络技术,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,有效实现了信息的交换和通讯。

2.2.2 总体架构

智慧实验室依托校园网平台,将其作为校园网的组成部分进行统一的管理和分配,如图2所示。基于物联网技术的智慧实验室,依托物联网的三层架构,分为感知层、网络层和应用层,如图3所示。

2.2.2.1 基础设施感知层架构

基础设施感知层主要采用可感知环境的硬件设备来采集数据,并向网络层传递数据。射频识别(RFID)技术是物联网的关键技术,RFID使用RFID读写器和附着于目标物的RFID标签,利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。校园一卡通适用于实验室门禁出入、设备借还、设备台开关、电子计时和费用扣减。各类由敏感元件和转换元件构成的传感器,用于采集实验室的温度、湿度、灰尘、气体含量,并根据预设阈值超标报警的检测来消除安全隐患。在此,可以安装防盗装置,比如红外线检测器。红外检测器可布置为吸顶式、壁挂式、幕帘式,全方位无死角监测。同时,还可安置报警器和视频监控器等,通过网络实现远程传输和视频信号同步。基础设施感知层架构如图4所示。

2.2.2.2 传输层架构

传输层也叫网络层,顾名思义,将从感知层获得的数据通过某种介质进行信息交换。传输层由接入网和传输网组成,光纤接入、无线接入等属于典型的接入网,电信网、广电网等属于传输网。现有的校园网为实验室搭建底层传感器网络、RFID网络实现最后1 km的接入。

2.2.2.3 平台应用层架构

平台应用层的智能化与否是实验室管理是否智能化的重要體现。相对于传统管理,智能化应用平台应着重解决以下问题:①提高实验设备的利用率,空闲设备对外开放。受到条件限制,高职院校的实验室主要用来教学,学生除了课堂内使用,其余时间不对外开放。这大大降低了设备的使用率,造成了设备闲置浪费。另外,学生实践知识的拓展也受到了限制。②将实验室工作人员从烦琐安排实验场所的工作中解放出来。系统可实现自动排课、空闲设备预约使用,使用人员可通过手机、电脑等客户端在管理系统网站提前预约,包括使用时间段、使用地点、使用设备号等。这样做,大大节省了人力资源,同时,所提供的统计数据也是精确、可靠的,避免了人工操作带来的重复问题。③设备使用对号入座;责任担当,不可推卸;利用校园一卡通识别身份。如果条件允许,可拓展到指纹识别、脸谱识别。这样既是对学生的一种行为约束,也是对学生的一种自我保护。④日志查询精准可靠,学生实验自动批改。平台应用层管理软件系统结构如图5所示。

3 实验室信息安全

实验室进入智能化管理阶段,随之而来的就是信息安全面临的威胁,主要体现在网络入侵和病毒破坏方面。黑客入侵和病毒日益猖獗,攻击方式层出不穷,造成资源浪费、数据被破坏、网络瘫痪,给实验室智能化管理带来严重的负面影响。

所谓“魔高一尺,道高一丈”,对于数据保密性和重要性高的实验室,要配备专业维护人员,充分利用数据加密、访问控制、数字签名、端口保护、防火墙等技术,屏蔽可能的网络入侵行为,及时杀毒、备份数据。

4 结束语

实验室智能化是高校发展的必然趋势,智能化体现在方方面面——资源共享、管理方便、数据精准……物联网技术为智能化实验室的实现提供了技术支持和物理实现。尽管物联网技术是最近几年发展起来的新兴事物,还处于起步发展阶段,但它在各行各业中发挥着不可取代的作用,影响着人们的生活。当然,随着信息化的发展,实验室管理中也出现了新的问题,比如网络安全、教学环境、管理模式的改革等。发展机遇伴随着新的挑战,前进的道路没有尽头,实验室的发展还需要继续研究和探讨。

参考文献

[1]张慧颖.基于物联网的智能家居综合系统设计[J].设计与研发,2013(21):25.

[2]物联网技术与应用.电气自动化技术网 [EB/OL].[2011-07-28].http://www.dqjsw.com.cn/wulianwang/90917.html.

[3]物联网三层结构[EB/OL].[2012-12-09].http://wenku. baidu.com/link?url=BT2U6Z-HktQJQYpz3Jp88pJSp4lU-lXkvCqpdeaa9a-BVdOgMGK1vj486-32YC4GWoiSPsotz4r4vGaHDnKKXU6T0qipzjqmGcRnQ8E5sLi.

[4]杨桂松,周亦敏,何杏宇,等.基于物联网技术的实验教学体系[J].软件导刊,2016,15(12):183.

[5]传感器(检测装置)[EB/OL].[2012-11-14].http://baike.

baidu.com/item/传感器/26757.

[6]钟凤贵.新型智慧实验室建设探讨[J].科技教育,2016(14):125.

〔编辑:白洁〕

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