物联网技术在实验室管理中的应用

付晓豹 杨冰银

摘 要：随着物联网技术的不断成熟，在实验室管理方面，可借助物联网技术来实验智能化管理，提高管理效率。文章通过在实验室管理中使用到软、硬件技术进行介绍，以实现基于物联网技术的实验室管理的目的。

关键词：实验室管理；物联网技术；软硬件

物联网技术已成为继计算机、互联网、移动通信之后信息技术的又一重大创新，我国已将物联网明确列入《国家中长期科学技术发展规划（2006-2020年）》和2050年国家产业路线图，2010年已把物联网写进《政府工作报告》，并纳入我国发展物联网的对策和建议到国家五大战略新兴产业发展规划，意味着物联网作为战略新兴产业已正式列入国家战略层次。随着互联网+时代的到来，物联网技术更是全面渗入各行各业中，通过物联网技术为人们在进行控制和管理更为便捷。物联网技术应用到高校在实验室管理中，同样可以提高实验室的管理效率和实验室的利用率。

1 当前高校实验室管理的现状

高校实验室是高校教学的重要场所之一，是学生检验理论的平台，是教师科研的沃土。但在实验室管理上由于实验设备的复杂性，一直都比较落后，与现有教学手段不相适应。当前实验室管理的主要特点表现在以下几点：（1）管理手段相对落后，难以适应现代大学教育的需要。大部分实验室管理还处于手工管理阶段，由管理员每天进行设备的分发与回收，造成了工作效率较低。（2）管理信息化程度较低，无法实现实验室的开放。开放实验室是提高实践教学质量的重要条件之一，但由于实验室管理信息化程度较低，无法实现真正的实验室开放。（3）安全问题。实验室一些小器件，经常会被学生无意带出实验室，造成实验室不必要的损失。（4）各管理系统之间容易出现信息孤岛。目前大部分学校都有实验室管理系统，但各实验室之间的数据大多互不相连，因此形成了信息孤岛，从而造成实验室资源无法充分利用[1]。

2 基于物联网技术的实验室简介

基于物联网技术的实验室以信息智能化为核心目标，围绕信息采集智能化、信息处理智能化、信息显示与推送智能化全面展开。信息采集智能化是智慧实验室的关键技术，是有别于数字校园的显著特征，智慧实验室中的信息采集智能化设备具有自组网、自诊断、自修复、不间断运行高稳定性和高可靠性特点，能够进行校园中的信息自动采集，减少信息采集中的人力投入，提高采集的准确信和可靠性。信息处理智能化依靠云计算的强大处理能力，对信息进行分析、处理，为决策提供有力的数据保障[2]。

3 基于物联网技术实验室的总体架构

基于物联网技术的智慧实验室要符合物联网的3层架构，即感知层、网络层和应用层。感知层主要是通过RFID和传感器等硬件设备来获取物体的信息。网络层主要利用通信网络与互联网的融合，将感知层获取的信息传递出去。应用层是利用感知层得到的信息和网络层传送的数据进行信息化处理，实现智能化识别、定位、监控和管理的功能。因此，基于物联网技术的智慧实验室在总体架构设计上也要符合物联网的3层架构，如图1所示。在感知层，主要通过各类检测点和摄像头作为数据采集的设备。网络层可以通过无线通信网络和有线通信网络两种方式，来实现数据的传输。应用层主要通过PC端或安卓手机端上的管理软件实现对实验室的管理和控制[3]。

4 基于物联网技术实验室的实施方案

对普通实验室的改造主要从门禁、窗帘、安防、电器控制等方面进行，从而形成基于物联网技术的实验室。要实现智慧实验室的功能，需要从物联网感知层部署硬件。

（1）单路网络视频系统（Network Video System，NVS）网关。1路视频，最高分辨率到 D1，支持3G手机查看和Web访问，视频传输码流可调整，MPEG4 编码方式，自带ZigBee网关，支持CMRTP协议，不可实现对讲及抓拍。

（2）门禁控制方面主要硬件包括门禁考勤节点、指纹门禁RFID节点。禁考勤节点主要功能有无线单刷卡门禁系统，服务器对门与卡进行统一管理，记录开门、刷卡、考勤信息，可设定多个时段开门，也可通过远程指令开门，具有机械可开、远程控制、刷卡、信号反馈、呼叫等功能。指纹门禁RFID节点主要功能有无线指纹门禁系统，存储识别1 000枚指纹，ZigBee传输可视距离100 m，支持CMRTP协议，具有机械可开、远程控制、信号反馈等功能。

（3）安防控制方面包括开启关闭布防节点、声光报警器节点、无线门磁探测节点、幕帘式红外检测节点、侧墙式红外检测节点、吸顶式红外检测节点、火灾检测节点、无线紧急呼叫节点。主要采用ZigBee协议来进行网络数据传输。

开启关闭布防节点的主要功能有无线遥控按钮，对安防系统实现开启、关闭布防。声光报警器节点的主要功能有通过ZigBee接收NVS网关发来的信息，实现本地报警功能，吓阻入侵者。无线门磁探测节点的主要功能有：传感器检测门窗的开关状态，ZigBee接收NVS网关发来的信息。幕帘式红外检测节点主要应用于窗户，检测区域内热释电，通过ZigBee发送给NVS网关，对区域内的非法闯入发出报警信号。侧墙式红外检测节点，安装墙壁上，检测区域内热释电，通过ZigBee发送给NVS网关，对区域内的非法闯入发出报警信号。吸顶式红外检测节点，安装在天花板上，检测区域内热释电，通过ZigBee发送给NVS网关，对区域内的非法闯入发出报警信号。ZigBee火灾检测节点，检测区域内烟雾浓度，通过ZigBee发送给NVS网关，对区域内的火灾发出报警信号。ZigBee无线紧急呼叫节点，无线紧急呼叫按钮。

（4）实验室控制方面。IC卡刷卡取电节点、灯光控制器节点、窗帘控制节点、光照度采集节点、RFID写卡系统。

IC卡刷卡取电节点，无线控制电源控制器，采用ZigBee传输，可视距离可达到100 m，最大负载电流10 A，电压220 V。灯光控制器节点为三路无线照明控制器。窗帘控制节点主要为无线窗帘控制控制器，具有左、右、停功能。光照度采集节点，采用APDS-9300数字光照度传感器，实现对实验室灯光的控制，进而实现节能的功能。RFID写卡系统，实现刷卡取电的功能[4]。

5 基于物联网技术实验室的软件设计

针对实验室管理中的具体情况，实验室的管理工作量大，并且不易管理，结合近几年物联网技术的发展、网络速度的不断提升、智能终端设备性能的不断提高，使得开发基于物联网技术实验室成为可能。信息显示与推送智能化，利用计算机、平板、手机等多种平台，实现跨平台、多途径，将有用的信息及时、准确地推送到需要的信息管理者手中，实现信息的有效利用。因此，在基于物联网技术实验室系统中，应该包括以下模块系统设置、教务管理、安全管理、设备管理、日志信息管理和使用帮助等六大模块。其中系统设置模块主要包括实验室信息设定、实验室布局设定、组织架构设定、角色设定、教师管理和学生管理。教务管理主要针对实验室的管理而设计，是系统的主要功能，该模块主要包括实验中心信息、实验设定、课程设定、实验预约、实验预习、排课管理、开放实验室管理、资料上传、实验报告管理、留言管理、通知管理、座位管理、日程安排。安全中心模块主要包括服务器设置、一卡通管理、照明管理、插座电源管理、智能电源管理、视频管理、门禁管理、警报布防管理、窗帘管理。仪器管理包插仪器信息管理、仪器状态管理、维修管理、信用管理、消耗品管理。日志管理包括系统日志、警報日志和仪器日志。信息查询模块包括成绩查询、实验课表查询。

6 结语

通过使用物联网技术对现有实验室进行升级，使得实验管理人员从繁杂的实验室管理工作中解脱出来，增加了实验室管理的信息化程度，提高了实验室管理的效率，同时使得各实验室之间的信息能够及时沟通，消除了信息孤岛，提高了实验室的利用率。

[参考文献]

[1]王战伟，段亚玉.高校开放实验室管理系统的设计[J].黄河水利职业技术学院学报，2012（7）：49-52.

[2]郭宏.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].科技展望，2017（27）：16.

[3]张静.基于智慧校园的实验室室管理系统研究[J].无线互联科技，2017（6）：118-119.

[4]周爱华.物联网技术在实验室仪器设备管理中的运用[J].中国教育信息化，2015（5）：52-53.