基于物联网技术的高校实验室管理系统应用研究

范山岗　沈建华

摘 要 随着互联网技术的发展，高等院校的实验室管理系统已经初步实现信息化管理，实验室预约、统计等功能已经在网络上运行，但是实验室的管理过程仍有许多环节需要管理员的介入，自动化和智能化程度不高。本文探讨了基于物联网技术的智能化及无人值守实验室管理系统及其应用，为高校实验室信息化管理提出新的思路。

关键词 实验室管理系统 物联网 智能化

中图分类号：G647 文献标识码：A

0引言

我国高等教育已经进入新的发展阶段，以产出导向（OBE）模式等为代表的人才培养模式正在得到越来越多的业界认可。与此同时，随着越来越多的高校重视工程教育专业认证及新工科的推进，高校和用人单位对学生的动手能力、工程应用的能力和创新能力越来越重视。在这个大背景下，为培养学生的相应能力，高校对实践教学和创新能力培养愈发重视，这就对实验室的建设和管理提出了更高的要求。

高校实验室最早多采用人工管理模式，实验室的运行维护基本为人工负责。近年随着互联网的发展，很多实验室建立了网站，进行开放预约和信息公示。随着国家级和省级实验教学示范中心的建设，不少高校已经初步实现了实验教学管理的网络化和信息化。但与目前不断发展的需求相比，仍然缺乏高度智能化、自动化，适应灵活多样的实践教学及创新活动的实验室智能化管理系统。本文介绍了南京邮电大学结合自身专业特点，开展的基于物联网技术的实验室管理系统研究与建设的实践。

1实验室管理系统分析

我校是电子信息类高校，实验室主要承担全校学生专业基础课实验和通信、网络专业课实验保障工作，实验过程中要用到电脑、专业软件、实验箱、开发板、常用电子仪器仪表等资源，需要为各课程分配实验室和各种实验资源，做到有效合理、充分利用。

同时实验室管理人员要面对全校师生进行实验室预约登记，合理分配实验室和设备，并在预约时间开发实验室，准备耗材、实验箱、网络等所需的软硬件和实验环境。实验过程中统计学生出勤率、设备利用率等参数，还要保障实验室安全可控，统计故障设备，修理等。教师和学生在实验室申请、设备预约环节；实验室管理人员在预约登记和日常管理环节；教学管理人员在事后的考勤、使用率等数据统计环节都要耗费大量精力。人工参与日常管理下实验室的利用效率偏低，师生使用也不方便。

为更好保证实验教学，我校进行基于物联网的实验室管理系统尝试，将实验老师和管理人员从低效的日常管理中解放出来，进行实验设计、效果评估等更有价值的工作中来，为此提出建设全自动化实验室管理系统。

2实验室管理系统设计

为了真正实现智能化，无人化，系统需要从实验的参与人员、所需实验室、所需软硬件和实验室运行管理等几个方面出发，在数据获得部分对接学校已有系统，获得实验安排、人员名单、联系方式；在日常管理部分引入物联网技术，使门禁管理、电源管理和集中监控部分都实现无人化；在软件管理部分引入虚拟化、资源化技术，根据实验内容动态分配所需软件环境。为此实验室管理系统分成如图1所示，由管理系统门户、电源管理、门禁管理、软件管理和监控管理模块组成。

其中实验室管理系统门户：是所有功能的展示台，采用B/S架构，负责对外展示和进行系统交互，日常自动从教务获得实验安排、分配实验室，同时对外提供课程预约，所有师生都可以提交資源占用预约，可以是座位量级的用于开放实验，可以是实验室量级的用户课程实验；实验过程中系统自动记录基础数据，结束后向老师主动推送考勤数据；实验过程中师生可以提交故障报修，管理人员可以维修或响应；管理日志用户实验室本身管理工作的安排和记录；同时基础数据维护和实验室基础管理功能也在门户网站中。

电源管理模块：是基于物联网的工业级电源工程，机房有主控模块，各实验室使用嵌入式的智能空开，支持以太网连接和电力载波连接，实验台使用基于单片机的可通信开关，能根据主控的命令按实验室或实验台来控制电力开关。

门禁管理模块：采用非接触式NFC卡为凭证，各房间安装电子门禁，对接学校的一卡通系统，师生可以在授权时间方便进出实验室，系统同时记录刷卡记录，作为打卡或考勤基础数据。

软件管理模块：因为实验室承担课程较多，使用专业软件有些非常耗费资源，因此根据实验需要做成多个操作系统和软件不同组合，生成映象，根据不同实验加载不同的系统，生成合适的实验环境。

监控模块：实验室视频监控系统，整合在门户中，可以做到实验过程可监测，实验室运行状态可检测，既可以做教学辅助，也是可以做安全的监控。

3实验室管理系统运行

系统首先从教学教务系统获得教学任务安排，获得实验课教师、学生安排，从一卡通系统获得师生的校园卡信息，从智慧校园系统获得老师和同学的联系方式。然后根据教学安排，自动分配实验室，在师生来做实验时，系统自动准备软件环境，开放门禁系统和供电系统。在实验过程中对外提供实验过程视频，并记录实验考勤数据。实验结束后自动关闭供电系统和门禁，并向老师提供考勤数据。

从而在实验数据获得+实验室分配、实验软件准备、实验室开放、实验过程监控和实验室关闭等五个个环节都实现无人值守（如图2）。实验室管理员不用在供电、软件准备、门禁等日常方面再投入精力，老师对于教学计划内的实验不用预约、不用等待，师生仅在需要调整实验安排或进行开放实验时才需要登录门户，自己提交资源申请。这样也极大方便老师和学生使用实验室。

4结束语

经过一年的建设和试运行，现在基于物联网的实验室管理系统已经投入使用，在实验室管理和广大师生中都获得一致好评，成为基于物联网应用的先进实验室。后续实验室将进一步应用基于图像分析的人工智能技术，建设基于人脸识别的考勤和门禁系统，引入实验过程视频的智能分析和耗材的自动发放回收。朝着提升实验室使用的便利性和提高实验器材利用率的方向，继续深入探索实验室智能化的无人值守技术。

基金项目：江苏高校品牌专业建设项目（ PPZY2015A034），江苏省高等教育教改重点项目（ 2015JSJG027），南京邮电大学教学改革重点课题（JG00215JX56， JG00215JX01， JG00215JX54）。

作者简介：范山岗（1980-），男，江苏南京人，硕士，助教，主要从事实验室建设与实验教学工作。通讯作者：沈建华（1972-），男，江苏江阴人，博士，教授，南京邮电大学通信与信息工程学院副院长，信息与通信工程国家级实验教学中心副主任，主要从事实验室建设、实验教学和管理工作。

参考文献

[1] 吴文华，杨庆，沈新元等.智能实验室管理系统下的实验室开放管理[J].实验技术与管理，2011（02）：172-176 + 197.

[2] 张继霞，彭绍春，兰山等.高校实验室队伍的“5P”建设模式[J].实验技术与管理，2012，29（03） ： 344-347.

[3] 柴钰.大学生自主管理的开放创新实验室模式[J].实验室研究与探索.2012，31（01）：82-85.

[4] 王成勇，周慧杰，朱晓勇.基于科研项目驱动的大学生创新能力培养新途径[J].高教论坛，2011（10）：23-26.endprint