高校实验室管理平台的设计与实现*

户占良，郭玉滨

(1.菏泽学院网络信息中心,山东 菏泽 274015; 2.菏泽学院计算机学院,山东 菏泽 274015)

实验室是高校实施教学，培养学生实践与创新能力，进行人才培养、科学研究，提供社会技术服务的主要场所；现代化的实验室管理要求科学、规范、安全，先进软硬件设备的投入使用，新旧系统共存现象的普遍，给高校实验室建设规划、管理方法、管理人员带来了新的挑战，提升实验室建设与管理水平对于高校生存发展具有重要意义[1].随着云计算、大数据与物联网技术的发展和普及，物联网将提升系统互联和智能效率[2]，其中常使用的是无线射频识别技术RFID(Radio frequency identification)，RFID是20世纪90年代兴起的自动识别技术,在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输,识别和交换数据.与传统的条型码、磁卡及IC卡相比,射频卡具有不受环境影响、无磨损、阅读速度快等优点.因硬件成本低廉，传播方式非接触与定位精确，在许多领域都得到广泛应用.实验室管理是一个复杂的系统工程，可借助RFID技术设计一个实验室管理平台，更好地管理及利用设备，以期实现规范化安全管理，提升各类实验室服务水平，减少管理员的工作强度，提高实验室的信息化水平.

1 高校实验室建设现状

高校教学实验室的传统管理模式是人工管理，主要是在设备上粘贴标签，标签上标明设备品牌型号与归属单位等.标签不易保存，容易脱落，特别是在有些使用时发热的设备上更容易脱落，需要经常更换等等，此外还存在诸多问题：

1)人工登记、清查及盘点，工作量大，操作繁琐，容易出现错误.

2)实验室设备相关的技术参数、配置信息无法得到迅速查询与确认，工作效率低.

3)设备监管与安全跟踪无法实现，设备容易丢失，甚至导致实验不能进行，浪费了学校资金，对学生实践能力的培养产生不良影响.

4)学生的出勤情况与教师指导实验情况不易统计与量化，无法得到有效数据.

5)各实验室缺乏统一规划和统一管理，无法实现各实验室之间信息交流，基本上都是各自为政, 设备利用率不高,不同实验室之间无法形成资源共享.

因此，传统管理模式已经不适应如今的实验室管理和发展.高校实验室通过引入现代教育教学技术实现对设备和人员的可视化管理，使实验室的管理更为高效和准确，提高教与学的交互性，保障设备信息及人员信息更新的及时性，使实验室各类资源更能充分利用，实现智能管理的目标[3].

2 平台架构设计

高校实验室管理平台实现的主要功能有：

1)采用RFID技术实现相关实验室设备的信息化及网络化管理，能够更好实现实验室管理和教学.

2)通过RFID技术实现对实验室设备数据信息收集与分析，管理者可以根据数据分析结果优化管理流程，做出合理决策，提升管理水平.

3)用户通过平台实现注册、登录、查询、查看历史记录等；对设备的出/入库、借还记录、清点等进行管理.具有监控、平台设置、权限管理等功能，并产生相关数据库.

4)通过RFID 技术实现各实验室之间资源的共享，监测设备能源消耗，节约成本，保障实验室安全性.

2.1 系统架构

高校实验室管理平台采用RFID技术，把各个实验室连接在同一平台，主要组成部分有设备层、网络层及应用层，其体系结构采用的是B/S架构，三层结构是在MVC标准下设计.高校实验室管理平台是由设备层、网络层、应用层、数据库及后台系统等几个部分所构成的.设备层的组成部分主要有读写器、RFID标签、湿度传感器、温度传感器、摄像头和GPS等.设备层主要是实现设备的识别和信息的采集.设备层是通过RFID读写器实现人员及设备标签的相关识别，获取相关信息.网络层是指设备的互联互通，包括校园有线网络及校园无线网，将从设备层所收到的数据传送到应用层数据库系统中.应用层是实验室管理平台的关键部分，包括相关的应用系统及数据库系统，分析底层设备产生的数据，获得各实验室设备运行情况，及时掌握异常数据.应用层是用户与实验室管理平台连接的接口，能够满足实验室的管理员、教师及学生的需求.

高校实验室管理平台通过不同层级接口的调用获取下层的相关服务，下层服务于上层，三层体系架构开发.能够实现跨平台的操作，开放性比较好.平台不依赖硬件环境，也不依赖于操作系统.从逻辑上来说，上层功能模块与下层功能模块是通过接口传递系统，内部功能互不干扰，某一层发生变动，不会对其它层造成影响.开发系统维护简单，物理部署灵活.平台可扩展性强，平台架构采用B/S模式，终端界面为浏览器，非专门客户端.

2.2 平台模块划分

实验室管理平台业务采用网络技术及RFID 技术，充分考虑业务需求及性能需求.实验室管理平台包括教学管理、物联网管理、数据管理、用户管理、实验室管理以及设备管理等模块，这些模块是弱耦合关系.教学管理模块使老师及时掌握学生实验情况，完成老师与学生实验互动.物联网管理模块完成门禁管理，监控与统计实验室出入情况.数据管理模块实现包括RFID标签等数据处理及安全性保障.用户管理模块实现对各类用户权限管理.实验室管理模块完成实验室排课及预约.设备管理模块实现对各类设备的管理，及时处理设备信息变更.根据需求，平台主要有管理员、教师及学生三类身份，每项功能模块根据身份设置相应权限，上述功能模块相互关联.

2.3 系统安全设计

高校实验室管理平台采用网络技术、RFID技术及相应的开发系统.网络安全技术、RFID及采用的平台开发技术直接影响平台安全.采用的技术不安全会带来安全威胁[4].平台从完整性、保密性和可用性多角度提升安全，从各类型数据安全及校园网络传输安全等方面来实现[5].

设备层安全要重点检测阅读器在读取RFID标签信息时，有没有出现误读，有没有泄漏及被篡改有关信息.标签中包含的信息容易被任何持有阅读器的人获取，RFID技术会带来安全问题.阅读器在读取RFID标签信息时，有可能存在假冒用户或者非法授权访问等问题.RFID技术作为实验室管理平台的关键技术必须考虑安全问题.RFID安全风险包括对阅读器及标签的攻击，导致实验室管理平台被非法利用或数据泄露.从阅读器与标签发送的信号可能被附近的检测器检测到.RFID标签数据即使有保护措施，也可能被分析工具获取，甚至进行写操作.通过丢弃、销毁、法拉第笼及阻塞标签等物理手段使RFID标签避免威胁.考虑安全性与经济成本可以使用哈希函数、椭圆曲线密码等安全技术，从产品生产时就考虑安全问题.

网络层将RFID数据从实验室经过多个节点传送到平台服务器端进行处理，整个过程中安全问题极其重要，整个传输过程极其复杂，涉及到多个网络安全问题.从网络传输安全考虑，涉及网络架构、边界防护、访问控制、入侵防范等因素.网络层要保障各类数据正确传输，保障数据完整性及保密性，具体设备系统应配置有防火墙、入侵防护系统、网络日志审计、上网行为管理系统、防病毒系统、WAF等.

平台应用层要保障教师、学生及管理员随时访问.平台应用层安全主要包括数据处理与数据响应安全，提供服务时要进行数据库审计、恶意代码防范、身份鉴别等.平台在整个开发过程中都要做好安全规划，具体编程时慎重选择编程语言及辅助工具，防止把错误引入平台.加强平台测试与检测，及时发现平台错误及缺陷.

3 系统实现

采用开源系统Spring与MyBatis.MyBatis是持久层框架，支持定制化SQL和映射；Spring是轻量级Java开源应用程序开发框架，与其它框架无缝整合，集成了各类工具，支持小的应用程序.支持重用，核心思想是依赖注入与控制反转，将应用程序配置与应用程序代码分开.Spring MVC是比其它框架设计更合理的轻量级全功能Web应用开发框架，使应用程序分层运行，相互独立又协同工作，将Web开发分成模型层、视图层和控制层.模型层由数据访问层和业务逻辑层组成，数据访问层由MyBatis实现，视图层由JavaScript、HTML、CSS等技术实现，负责数据展示.用户交互部分由控制层实现，管理员、教师及学生通过前台、实验室管理等界面向Web服务器发送请求，服务器处理后将信息发送给管理员、教师及学生.

登录模块使不同权限的人员能够完成不同工作.用户登录时，平台对用户名及密码进行比对，比对成功后进入平台，完成相应权限的功能.人员管理模块包括权限设置、资质认定、人员管理、人员的添加与删除等.设备管理模块完成设备入库，进行设备管理，包括增加、删除、维修、报废等，设备与标签绑定，添加设备后平台生成EPC编码.RFID阅读模块完成具有权限的人员对标签扫描读取识别的功能，把数据上传到数据库.数据库系统对实验室基本数据及参数信息进行存储，完成标签信息的查询、添加、删除、统计等功能.设备以及人员数据进行相应编码且唯一标记，符合通用标准，实现编码设计后，平台为设备分配唯一的标签.传输模块使用无线方式把阅读器获取的信息发送给服务器，最终信息存放于后台数据库.

4 结语

传统实验室管理已经不能满足学校、教师及学生对实验课的要求.射频识别、物联网技术及传感器等技术的发展，使实验室采用RFID技术提升管理效率成为可能.RFID技术的优势是信息量大、传播方便、实现无线通信等.本文分析传统实验室存在的问题，提出实验室管理平台设计架构、模块划分及安全设计方案，完成平台实现.平台解决了实验室出现的各类型问题，达到方便实验室管理、减轻工作负担、节约成本、提高利用率的目的，有利于高校的发展.