基于物联网的智慧实验室系统的构建

周 瑞，李景宇，桑 楠

·实验室建设与管理·

基于物联网的智慧实验室系统的构建

周 瑞，李景宇，桑 楠

(电子科技大学 信息与软件工程学院，四川 成都 610054)

物联网技术的发展正在改变大众的工作、学习和生活方式，也为高校的实践教学提供了新形式。该文研究了智慧实验室系统以开放式实验教学为目标，以基本实验管理流程为核心，包括实验课程预约、门禁控制与考勤管理、实验设备管理、学生上机管理、实验室综合监控等功能。系统构建采用服务器浏览器模式，突破了时间空间限制，实现了实验管理员、教师和学生之间互动的网络化开放管理平台。实践证明，基于物联网技术构建的智慧实验室系统能够充分发挥新技术的优势，为实践教学提供一种便捷高效的管理方式，极大减轻实验管理员的负担，提高教师的工作效率和效果。

物联网；智慧实验室；门禁控制；考勤管理；设备管理；实验室监控

实验室是高校的基本构成单元，是学生开展实践能力训练的重要场所，在高校人才培养中发挥着极其重要的作用。实验教学中需要对学生上课进行考勤，对实验设备进行管理，对学生上机进行管理，对实验室环境也需要进行监控，从而保证实验课程以及后续课程的顺利进行。对实验教学中的学生考勤，大多数学校仍采用传统的点名或者签到方式，占用了正常上课时间且无法杜绝代签现象。实验中，学生使用计算机的情况也比较混乱，大多数学校目前没有有效的方法进行管理。实验室中实验设备的管理仍采用手工方式，设备的借用、归还以及损坏往往不能得到及时记录，影响设备的正常使用。实验室通常没有行之有效的安全防护措施，防火防盗工作不到位，给实验室留下安全隐患。实验室也没有有效的节能措施，导致电力和网络资源的浪费。

实验室存在实验时间不确定、实验项目多样、实验内容多变、实验对象多层次和多专业等问题。这种不确定性和多样性，给教师和实验管理员增加了工作量和繁琐度。基于物联网技术[1]构建智能化实验室管理系统是一种必然的趋势，是提升高校实践教学水平的有效平台[2]。智慧实验室系统通常涉及实验课程预约、门禁控制与考勤管理、学生上机管理、实验设备管理和实验室综合监控等方面。根据预约的实验课程，通过学生或教师刷卡自动进行门禁控制和上课考勤，自动控制和记录学生对计算机的使用，自动控制对实验设备的借用和归还以及使用情况记录，采用无线传感器网络技术[3]对实验室环境进行全时段监测，并根据实验室环境进行自动的安防节能控制。智慧实验室系统不仅能够使实验室的资源得到合理利用，并且能够使实验室和实验课程的管理更加高效便捷，从而创造一个良好的教学氛围，提高实践教学的质量和效果[4-7]。

1 系统结构与部署

智慧实验室系统是依托校园网络，应用物联网技术，实现实验管理员、教师和学生互动的智能化、网络化、开放的管理平台。系统由服务器、控制终端和用户浏览器组成，总体结构如图1所示。

系统服务器是一组服务器，包括Web服务器、管理服务器、数据库 (DB)服务器和视频服务器。Web服务器是整个系统查询和管理操作的入口，通过Internet向教师、学生和实验管理员提供远程查询、远程控制、数据管理、视频监控、系统配置等功能。实验管理员可以远程对实验室和实验设备进行管理和监控，教师可以远程对自己的实验课程进行管理，学生可以远程进行实验课程预约并查询自己的实验和考勤记录。管理服务器作为系统的中央控制单元，负责接收来自各控制终端和Web服务器的请求，进行相应处理并进行应答，同时将接收到的各种数据存储到数据库服务器中，从而实现对门禁、考勤、计算机、实验设备和实验室本身的管理。所有系统数据由数据库服务器统一存储并提供访问接口。视频服务器负责对通过视频监控设备采集的图像数据进行解析、存储和传输，实现远程视频监控。服务器系统平台为Windows Server，采用Java语言实现。

图1 系统总体结构和部署

系统的控制终端包括门禁控制与考勤管理终端、计算机管理终端、实验设备管理终端、实验室综合管理终端和视频监控终端，如图1所示。门禁控制与考勤管理[8]终端包括门禁控制器、刷卡器、电控锁等。用户刷卡后，门禁控制器读取卡内信息，向管理服务器发起认证请求，认证通过后，门禁控制器驱动电控锁，打开实验室大门，同时管理服务器进行考勤记录。计算机管理终端指连接有刷卡器的学生实验用计算机，计算机上运行驻留程序。开机时，驻留程序锁定系统并弹出刷卡提示窗口，学生刷卡后，驻留程序读取卡内信息并向管理服务器发出认证请求，认证通过后，驻留程序解锁计算机进入正常使用界面。实验设备管理终端包括设备柜控制器、RFID[9](射频识别)读写器、刷卡器和电控锁。设备柜控制器通过RFID读写器实时获取设备柜内的设备信息，上报给管理服务器，与服务器协同完成对实验设备的管理和控制。设备柜控制器连接刷卡器，根据对刷卡信息的认证结果，通过电控锁控制设备柜门的开关。实验室综合管理终端包括多功能网关、多种传感器、电源控制器、窗帘控制器和声光报警器。多功能网关是实验室综合管理终端中的核心设备，与服务器协同，实现对实验室环境的监测和控制，负责采集传感器[3]数据并上传至服务器，接收服务器下发的命令对实验室中的电器进行控制。网关硬件平台为ARM，软件平台为Linux，采用C＋＋语言实现。传感器包括红外传感器、烟雾传感器、窗磁传感器、照度传感器和温湿度传感器，控制的电器包括照明、窗帘、风扇等。多功能网关连接声光报警器，异常情况下触发声光报警。视频监控终端包括数字视频录像机和摄像头。数字视频录像机的视频输入口一通道和二通道分别接入2个模拟摄像头 (枪机)，可实现H.264的编解码功能，本机提供主辅2种码流同时编码。主码流本地存储，确保图像高质量；辅码流网络实时传输，解决带宽问题。数字视频录像机通过网络实现与视频服务器的通信，对视频流数据进行H.264编码处理并完成传输和存储，从而实现远程视频监控功能。

2 系统功能设计

2.1 实验课程预约

智慧实验室系统允许通过Web页面远程预约实验课程，包括教师授课预约、学生上课预约和学生自习预约3种形式。预约的实验课程需经过实验管理员确认后才能生效。门禁控制和考勤管理、学生上机管理、实验设备管理中的人员身份认证均以实验课程预约为认证依据。教师申请授课预约时，需填写实验课程名称、实验室名称、授课时间、人数上限、实验设备等信息。系统自动检测实验时间是否存在冲突和实验室中现存实验设备是否足够。教师提交授课预约申请后，等待实验管理员审核该预约申请，只有审核通过的预约请求才能安排成为实验课程。学生申请上课预约的前提是授课教师已提交该实验课程的授课预约申请并且审核通过。学生申请过程中，系统需要检查申请上课的人数是否超过限制，如果未超出，则申请成功并自动分配计算机和实验设备。学生自习预约指学生可以预约自习实验，即没有教师上课的实验。申请自习预约时，学生需填写关联课程名称、实验室名称、自习时间等信息。系统自动检查有无时间冲突以及相关实验设备是否可用，申请成功后自动分配计算机和实验设备。

2.2 门禁控制与考勤管理

门禁控制和考勤管理是实验室管理的重要组成部分，包括进门控制、出门控制、考勤记录和日志记录。门禁控制和考勤管理终端和服务器协同工作，实现对进出门的控制和对考勤的管理。考勤结果通过Web服务器进行查询和维护。学生可以查询自己的考勤信息，教师可以查询并维护与自己课程相关的考勤信息，而实验管理员可以维护所有考勤信息。

学生和教师在有实验课程预约的前提下，可以在上课时通过身份认证进入实验室。进门时，学生或教师刷卡，门禁控制器获取刷卡信息，请求管理服务器进行认证。管理服务器根据收到的刷卡信息和数据库中的实验预约信息判断该学生或教师能否进入实验室，返回认证结果给门禁控制器。如果认证通过，门禁控制器显示系统分配给该学生的计算机编号和设备编号，驱动电控锁打开大门，同时进行考勤记录和日志记录。有实验课程预约的学生如果在上课时间未到实验室，服务器会进行缺勤提醒，并以短信或者邮件的形式通知该学生。

学生和教师离开实验室同样需要认证，防止非法携带实验设备出门。出门时，学生或教师需要刷卡，门禁控制器获取刷卡信息，请求管理服务器进行认证。管理服务器根据收到的刷卡信息检查该学生所借实验设备是否已归还，返回认证结果给门禁控制器。如果认证通过，门禁控制器驱动电控锁打开大门，学生或教师才能离开实验室，同时系统记录考勤和日志。对于未到下课时间提早离开实验室的学生，考勤记录其为早退。

2.3 学生上机管理

学生进入实验室后，使用计算机之前仍需要进行身份认证，认证通过后方可使用计算机。每台计算机都安装有驻留程序，并连接刷卡器。计算机开启时，驻留程序锁定系统并弹出刷卡提示窗口，学生刷卡后，驻留程序获取刷卡信息，请求管理服务器进行认证。管理服务器根据刷卡信息和实验预约信息以及计算机分配信息进行认证，确保学生使用的是分配给他的计算机，返回认证结果给驻留程序。如果认证通过，驻留程序解锁系统进入计算机正常使用界面。实验课结束后，计算机会自动关机，方便后续实验课的学生使用。计算机的正常使用和出现的异常，驻留程序都会进行记录，并发送给管理服务器。管理服务器将这些信息存储到数据库服务器中，管理员能随时通过Web页面查询计算机的使用情况。

2.4 实验设备管理

实验中需要用到实验设备，实验设备存放在设备柜中。每个设备柜由一个设备柜控制器控制，设备柜控制器连接刷卡器、电控锁和RFID读写器。RFID读写器会对设备柜中的设备进行周期扫描，检测设备状态，并实时显示设备柜中的设备及其状态[10]。

学生使用实验设备，需要进行身份认证。通过学生刷卡，设备柜控制器获取学生刷卡信息，请求管理服务器进行认证。管理服务器检查该学生的预约设备所在设备柜编号与当前刷卡设备柜编号是否一致，返回验证结果给设备柜控制器。若验证通过，设备柜控制器驱动电控锁打开设备柜门，学生可以取出并使用设备，系统记录设备借用情况。取出设备之后，学生应及时将设备柜门关上，设备柜控制器会触发关门扫描，由RFID读写器对设备柜中的设备进行扫描，确认学生取出的设备是其预约的设备。若学生打开设备柜门后一段时间内不执行关门操作，或者取出的设备和预约的设备不一致，则设备柜控制器报警。

设备使用完毕，需要归还到设备柜中，同样需要身份认证。通过学生刷卡，设备柜控制器获取学生刷卡信息，请求管理服务器进行认证。管理服务器验证该学生的预约设备所在设备柜编号与当前刷卡设备柜编号是否一致，返回验证结果给设备柜控制器。若验证通过，设备柜控制器驱动电控锁打开设备柜门，学生归还所使用设备。之后关上设备柜门，设备柜控制器触发关门扫描，由RFID读写器对设备柜中的设备进行扫描，确认学生归还的设备是其取出的设备。若学生打开设备柜门后一段时间内不执行关门操作，或者归还的设备和取用的设备不一致，则设备柜控制器报警。

2.5 实验室综合监控

实验室综合监控通过安装在实验室中的传感器对实验室环境进行全时段实时监测，并根据环境变化对实验室的电器设备进行自动控制，以起到防火、防盗和节能的目的。实验室综合监控终端包括多功能网关、传感器和电器。多功能网关负责采集传感器节点的数据并上传至管理服务器，管理服务器收到数据后存储到数据库服务器中，并根据实验室配置进行联动控制[11-12]，返回控制命令给多功能网关，再由多功能网关进行电器节点的控制，如开关灯、开关风扇、报警等。实验管理员能随时通过Web页面观察实验室内传感器节点的状态和电控记录，并能够通过远程方式控制实验室电器。实验室中常用的传感器包括:红外传感器、烟雾传感器、窗磁传感器、照度传感器、温湿度传感器等，如表1所示。常用的可控制的电器包括照明、窗帘、风扇等。

表1 传感器节点及控制节点

由于实验室采用不同类型的传感器来监测环境的不同方面，为保证实验室资源的安全性并减少能源消耗，需要仔细设计系统的联动控制策略。智慧实验室系统的联动控制策略有以下4个方面:1)烟雾传感器能够监测烟雾浓度，一旦发现烟雾浓度过高，则可能是发生了火灾，此时触发声光报警并迅速打开实验室大门；2)在监控时段内，如夜间，为防止非法人员进入实验室，红外传感器和窗磁传感器会对实验室进行防盗监控，一旦监测到实验室有人或者窗户被打开，系统就会进行防盗报警；3)在监控时段内，实验室照明可能因为用户遗忘而未关闭，如果照度传感器监测到光照强度过高，则会自动关闭实验室照明，以达到节能目的；4)在监控时段内，为防止实验室温度过高或过低对实验设备、实验室资源及人员造成负面影响，系统会根据当前实验室温度以及实验管理员预先设置的温度阈值，打开风扇或者空调进行温度调节。

3 结束语

新技术总是在不断改变我们的生活、工作和学习方式。物联网技术近年来得到迅速发展，并广泛应用于社会的各个方面。本文探讨了物联网技术在高校实验室中的应用，阐述了一个基于物联网的智慧实验室系统的构建及其对实验课程管理的影响。本文智慧实验室系统提供了一个智能化的、网络化的、开放的实验管理平台，能够实现门禁控制与自动考勤管理、有序的学生上机管理、高效的实验设备管理和安全节能的实验室综合监测与控制。该系统已经成功安装在多个学校的实验室中，使用效果良好。相信随着物联网技术的进一步发展，智慧实验室系统会在教育和科研领域获得更广泛的应用。

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Construction of Smart Laboratory System Based on Internet of Things

ZHOU Rui， LI Jingyu， SANG Nan
(School of Information and Software Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

The development of Internet of Things has been changed our styles from working，studying and living.It also provides a new form for the experimental teaching in the universities..This paper aims at studying the open experimental teaching of intelligent laboratory system，taking the basic experiment management process as the core，including the function of experimental course scheduling， entrance controlling and attendance management， device management， computer management， laboratory monitoring and management.The system is constructed with browser-server architecture and establishes an open management platform for teachers，students and laboratory administrators， and so on.The system is built by using the server browser model， which can break the time and space constraints.Then the teachers and students of the interactive network on the open management platform can achieve the experimental administrator.It is proved that the intelligent laboratory system based on the Internet of Things technology can give full play to the advantages of the new technology， provide a convenient and efficient management way for the practice teaching， greatly reduce the burden of the experiment manager and improve the work efficiency and effect of the teachers.

Internet of Things； smart laboratory； entrance control； attendance management； device management； laboratory monitor

G434

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.036

2016-02-24；修改日期:2017-09-07

周瑞(1974-)，女，博士，副教授，主要从事物联网、普适计算方面的研究。