“互联网+”开放实验室改建方案研究

魏永涛 孙鑫鹏 张淑梅

摘  要：为解决高校实验室无法24小时开放、设备利用率低、学生借用仪器难的问题，提高仪器使用效率，在分析现有实验室管理系统相关文献的基础上，使用射频识别技术和新型WiFi模块，结合服务器和Android端手机软件，实现了一种新的开放实验室系统，能够在不对现有实验室格局进行大幅改动的情况下，基于现有设备实现开放实验室，使学生能够查看空闲设备并预约使用;设计了相应的管理办法，提高了仪器使用率，将教学、实践与创新进行无缝连接。

关键词：互联网+;开放实验室;管理系统;Arduino Android

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章編号：2096-000X（2019）08-0065-04

Abstract： In order to solve the problem that university laboratories can't open 24 hours， equipment utilization is low， students borrow instruments is difficult， and the efficiency of instrument use is improved. Based on the analysis of existing literatures， using radio frequency identification technology and WiFi module， in combination with the server and Android software， this paper presented a new open lab management system. Enabling students to view idle devices and make appointments， the system also reserves interfaces for teacher propositions and student independent experiments， which can support the specified experiments and record project data automatically. The corresponding management methods have been designed to improve the utilization of instruments and to seamlessly link teaching， practice and innovation.

Keywords： internet plus initiative; open laboratory; management system; Arduino Android

前言

高校实验室是实现科研创新的基地，是理论与实践相结合的主要阵地。学生通过实验室能够进一步提高自己的创新能力，教师可以在指导学生的过程中逐步提升自己的业务素质。随着越来越多的高校实验室向社会开放，实验室还是学术交流和社会服务的关键所在，可以说高校实验室是高校教学、科研、社会服务以及人才培养的重要场所。

随着实验室的建设越来越受到重视，各校在经费投入、师资培养、教学质量管理等方面都下足了功夫，其中，实验室的条件和实验设备的改善尤为明显[1-3]。然而，尽管各高校对实验室的管理都有拟定相关的规章制度，但由于实际实施时存在的各方面问题，高校普遍存在实验室资源利用率偏低的现象[4，5]，主要有以下两方面客观原因：

一是实验室所能提供的工位有限，有很多实验设备器材同一时刻只能满足一个人或一个实验项目的使用需要。而实验室的仪器占用状况等信息缺乏一个有效的公开渠道，这就导致某些实验设备器材前有时侯人满为患，而有时侯却无人问津的现象，造成了资源的浪费。

二是申请进入实验室的流程过于繁琐，往往需要填写纸质申请书、递交、等待被批准后才能有资格进入实验室，需有教师值守，效率低下。

截止2015年5月21日，我国高等学校累计达到2845所，每所高校下属又有若干实验室。面对如此庞大的实验室群体，如果有一套行之有效的解决方案能合理地分配资源，使这些投入了大量资金建造的实验室得以最大化的发挥作用，那么将会给高校的教育、科研方面带来巨大的好处。

现有研究成果多是基于物联网等技术研发新建开放实验室管理系统[6-10]，但是在高校教学设备经费投入紧张的现状下，对实验室进行全面重建并开放存在着巨大的现实困难，本文提出使用射频识别技术和新型WiFi模块，结合服务器和Android端手机软件，实现了一种新的开放实验室管理系统，能够在不对现有实验室格局进行大幅改动的情况下，投入少量改造经费即可基于现有设备实现开放实验室，具备普遍意义上的可行性。并且参考现有文献[11-13]中的开放实验室管理办法，制订了与所设计系统相适应的管理和使用方案。

一、系统结构与功能

本实验室管理系统通过射频识别技术和新型WiFi模块实现实验室现有设备管理的智能化、规范化、流程化。有效提高实验室信息化管理水平，最大程度的分配好高校实验室的资源，实现无人值守开放使用。本系统分为硬件装置、相关软件、网络云服务器三个部分。如图1所示。

图1 系统结构

二、系统硬件电路设计

为了满足不同类型的实验室需要，设计了门禁装置和取电装置两大类硬件装置，如图2所示。其中门禁装置放置于实验室门口，实验室管理人员和通过APP申请的学生可以通过刷卡进入实验室，实现实验室的初步管理;电源装置用于管理实验室里贵重、危险抑或是数量稀少而需求大的设备，学生通过刷卡取电使用该设备，同时其他学生也可以在APP上查看该设备的使用状态、预约使用该设备，实现实验室的精确管理。所有硬件装置都与网络云服务器连接，接受服务器传递的数据、指令，并向云服务器反馈当前该硬件装置的状态。

图2 硬件装置示意图

（一）门禁装置硬件设计

门禁装置主要由单片机、RFID读卡装置、EEPROM存储芯片、WiFi模块、电磁继电器和电磁锁等组成。

RFID读卡装置采用MFRC522芯片，MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片。

WiFi模块采用ESP8266芯片模块。ESP8266是一款低成本、内置TCP/IP协议栈的完整Wifi网络解决方案

单片机模块选用以 ATmega328P作为核心芯片的arduino nano控制器。ATmega328P是ATMEL公司生产的高性能AVR系列單片机。控制器通过io模拟spi与RFID读卡装置通讯，通过硬件串口与WiFi模块通讯，通过推挽模式的io口控制继电器从而实现电磁锁的开闭控制。

（二）取电装置硬件设计

取电装置主要由单片机、RFID读卡装置、EEPROM存储芯片、WiFi模块、电磁继电器和插座电源等组成。其中单片机、RFID读卡装置、EEPROM存储芯片、WiFi模块、电磁继电器的硬件部分设计与门禁装置类似，但电磁继电器的控制对象由电磁锁变更为插座电源。

（三）节点组网设计

由于部分实验室用电设备多，需要有较多取电装置，考虑到每台无线网络路由最大负载用户数量有限（理论上最大连接数为243条），可以将唯一的门禁装置设置为网关节点，每个实验室的各个节点将数据传递给网关节点，再由网管节点连接无线路由器向外网传递数据，极大减轻了实验室无线网络的负担，整个联网过程如图3所示。

图3 联网方式示意图

三、系统软件设计

本项目的软件部分则包含针对学生的手机APP、针对实验室管理者的管理程序两部分。各部分详细功能如图4所示。

图4 软件功能示意图

（一）学生APP软件设计

学生通过APP向云服务器发送指令申请使用实验室及相关仪器设备;同时，APP从云服务器得到数据，显示各实验室的使用状况与申请情况。考虑到试验设备的特殊性和高校实验室使用现状，学生APP可以申请多人同时段共用实验设备，具体设计如图5所示。

（二）实验室管理软件设计

实验室管理人员则通过管理程序批准学生申请实验室的请求，并可以通过云服务器实时检测实验室各仪器设备的使用情况。本项目中网络服务器扮演数据存储中心、处理中心、交换中心的角色。所有用户软件和硬件装置上传的数据都通过云服务器解析、处理、存储，实现了自助申请实验室和自助排队使用设备仪器的功能，如图6所示。减少了实验室管理的人力投入，提高了效率。

四、开放实验室管理机制

随着高校教学制度的进步，开放实验室模式开始逐渐普及。开放实验室是面向学校全体师生开放的实验室，通常具有科研项目重、仪器多而杂、学生流动性大等特点。本系统可应用于开放实验室的管理，具体流程如图7所示。

（一）便捷的预约机制

学生可通过手机APP的查询实验室的使用状况、空闲时间等信息。并可以通过APP快速向管理员提交预约使用实验室的申请。极大简化了预约实验室的流程。

（二）减轻管理人员的工作量

实验室管理人员通过软件批准学生的实验室仪器使用请求，实现实验室管理的高效化;通过门禁装置实现实验室的进出管理、通过电源装置实现实验室的设备管理，实现实验室管理的自动化;通过管理软件实现对实验室仪器设备使用状况的监控，实现实验室管理的简单化。减少了管理人员的工作量，减轻了开放实验室给管理人员带来的负担。

（三）便于数据采集和分析

本系统使实验室的相关数据（仪器设备的使用频率，常用时段等）便于采集，并预留了实验数据采集接口，为教师命题、学生自主实验预留了接口，能够支持对指定实验项目数据的自动记录，可以为后期实验数据实时采集提供接入条件。通过对收集到的数据进行分析，管理者可以归纳出实验室更好的使用安排和设备调度方案。

五、结束语

本文介绍了通过建立实验室仪器设备自助借用系统，在现有教学设备的基础上，基于云端资源和物联网技术建设的开放性实验室，以最低成本解决了实验室无法24小时开放、设备利用率低、学生借用仪器难的问题。提高仪器使用效率，并采用项目化方式对学生入驻进行管理，锻炼学生系统设计和创新能力，将教学、实践与创新进行无缝连接。

建立开放性实验室能够在根本上解决学校资源分配的矛盾，其中心作用是以最大的效率为学生们的课外电子制作与相关设计培训任务提供实验条件的支持，让学生能够随时到实验室动手实现自己的想法，而不用受限于老师是否值班，增加了学生们对实验学习的主观能动性，提升动手能力，为学生们提供一个良好的实践平台。

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