基于物联网技术的实训设备监测与智慧实训中心构建

徐 乐 郎超男 于如信 朱玉斌

（江苏师范大学，徐州 221116）

受新冠肺炎疫情影响，各阶段教与学的方式发生了巨大改变，各高校的实验、实践、实训教学受此影响更大，很多现场实施的实践教学、教学管理、安全维护等工作都需要向远程化、智能化控制方向发展[1-2]。物联网技术是在互联网基础上构建出覆盖人和物的网络信息管理技术，能够将物理世界与信息世界进行有效连接[3]。目前，物联网技术已广泛应用于物流、建筑、环境保护等多个领域，在楼宇管理、智能家居、电网管理等方面的应用也较为成熟[4-5]。因此，结合物联网在智能家居、楼宇管理等领域的技术和特性，探索、搭建了一个智能化工程实训中心管理系统和平台，实现了对实训场所中仪器设备的运行状态、实训环境、硬件设施等远程监测和智能控制的功能，从而提升了实训教学管理能力和实训场地的智慧化管理水平。

1 实训设备监测与智慧实训中心构建需求

工程实训课程作为高校培养创新型、应用型工程技术人才的重要实践教学环节，是学生创新思维培养和创新意识提升的必修课程，也是高校中受众人数最多的一门课程[6]。实训过程中，设备及实训场所实现智能化控制和管理对高校因疫情影响而展开的教学模式改革尤为重要[7-8]。根据对多所学校实训教学的调研分析和总结，目前实训设备监测与智慧实训中心构建的难点主要有以下几个方面。

1.1 实训仪器种类、数量较多，人工综合管理、故障诊断等较为困难

由于工程实训教学面向全校所有理、工科专业学生和部分文科专业学生，不同学科专业开设的实训工种不同，且大部分实训设备通常是长时间连续满负荷运行且长期用于“新手”学生使用，其零部件会不可避免地出现劣化，在没有实时监测和控制的情况下，实训设备一旦发生故障，不仅会造成巨大的经济损失，甚至还会对实训师生造成人身伤害，从而产生重大教学安全事故。

1.2 实训教学工种较多，尚无综合智能管理平台

随着实践教学的不断深化，设置工程实训课程的专业越来越多，同一时间内实训场所会有不同专业的实训任务。不同学科、专业开设的实训工种和实训深度不同，对实训教学的课程安排、设备管理、场地协调等都提出了较高要求，单一的实训教学管理模式已无法满足实训教学的需求，因此需要一个综合智能型管理系统和平台，以实现实时监测控制实训设备使用状态的目标，最大化利用各实训教学场地和仪器，避免实训器材重复购置、空闲搁置以及无人管理等问题。

1.3 实训场所内应急防护、安全监测等存在漏洞

现阶段各高校实训场所内的门窗、灯光均使用机械和手动方式开关，各个实训室内环境的安全采用轮班检查方式，一旦发生安全问题，不仅会造成巨大的经济损失，而且会对周围师生造成人身伤害，甚至引发重大安全事故，因此对实训场所内环境及消防安全实现智能化监测和控制非常有必要。从实训设备监测与智慧实训中心构建需求可看出，无论从人、财、物的保护角度，还是从实训中心智慧化建设和提升角度，对实训场所进行智能监测和管理都显得尤为重要。

2 基于物联网技术智慧实训中心系统的开发与实现

为了使开发的智能实训中心系统符合实际教学需求，先对国内多所工程训练中心进行了调研，并对目前实训教学中存在的问题进行了分析总结，然后在不断学习物联网技术发展、体系结构等相关知识的基础上，利用物联网平台在智能家居等领域的应用经验，设计了详细的系统开发模块，并制定了具体智慧实训中心系统设计方案，设计方案结构如图1所示。从图1中可看出，开发的智慧实训中心主要包含4大功能模块，各功能模块具体内容如下。

图1 智慧实训中心系统设计开发结构图

2.1 智能教学管理模块

智能教学管理模块是一个集教学信息收集、整合、应用、显示为一体的智能控制模块，包括实训教学安排、实训仪器管理、实训师生管理3个子模块。其中：实训教学安排模块是通过系统中各实训室教学计划安排表及实训室内外部感知系统结果，将实训室教学使用情况、实训效果以及存在问题等情况传输到上一级管理系统，为实训教学安排和实训室有效利用提供数据支撑；实训仪器管理模块是利用网络联机和远程控制实现对实训场所内大型实训仪器进行监测和控制，从而及时了解各个仪器设备使用情况及运行状态，为实训仪器的维护保养、零件更换和故障诊断等提供数据参考；实训师生管理模块是通过远程监控和人物状态识别系统捕捉和分析教师讲授各工种时的教学状态和学生学习状态，同时也可以量化学生出勤和学习时长，为教师督导、学生评教、教学质量提升等提供参考依据。

2.2 智能安全管理模块

智能安全管理模块是在实训场所已有环境的基础上，搭建的一个集人、财、物的安全管理为一体的综合预警控制模块，能够实现对实训场所内的仪器设备、人员及实训环境等设施进行监控和预警。智能安全管理模块通过借助各大型设备远程控制系统进行联机，并结合监控设备进行全天不间断监测，将监测数据利用物联网技术上传到后台监测管理系统，后台管理系统利用云计算及大数据技术分析和处理监测数据，从而实现对故障设备的及时停机和远程断电，保障设备安全，降低故障发生的概率。同时，智能安全管理模块能够利用无线摄像头、智能门窗、人脸识别以及烟雾感应等技术监测和分析实训场所内师生操作安全、消防安全、异常入侵等情况，还能够通过物联网平台将异常情况及时上传到监控管理系统，并具有报警预警处置功能。

2.3 智能身份认证模块

智能身份认证模块包括日常实训教学身份认证和对外开放身份认证两种功能模块。对于日常实训教学，为了满足防疫要求及教学考核所需，可以在进出实训场所的主要通道设置身份认证装置，身份认证数据及软件与学校门禁系统一致，可通过人脸识别或刷校园卡进行身份认证，认证数据统一由学校智慧校园平台控制和管理，避免数据泄露。同时，实训场所一般需要对校内师生提供对外科研创新开放服务，通过身份认证功能模块可以识别科研师生身份和统计科研工作量，将统计数据上传至学校智慧校园管理平台后，可用于教师科研工作量计算、科研产出比分析、科研经济效益分析等，同时也为实训场所的对外服务效益提供了数据基础。

2.4 智慧校园对接模块

智慧实训中心除了实现实训教学管理控制的系统性、智能型、科学化，同时也是为了完善、拓展智慧校园的设施和功能。因此，基于物联网技术的智慧实训中心系统设置了对接智慧校园功能模块，实现了将实训教学的课程安排、实训场所使用情况、实训场地实时监控等与智慧校园系统联网对接。同时，为了后续扩展其他功能和应用，预留出多个端口对接智慧校园，以实现智慧实训中心系统与智慧校园系统同步对接。

3 基于物联网技术的智慧实训中心应用效果及价值

根据智慧实训中心系统的开发设计方案及我校实训场所内机械设备数量及具体情况，搭建出了一个小型智慧实训中心，以实现实时监测和控制多台旋转机械的运行状态，以及将故障设备及时断电的功能。同时，智慧实训中心的建立对实训实践教学的开展和运行提供了智能化、系统化支撑，从而为实训师生的安全提供强有力的保障，对进一步完善和加强智慧校园建设具有多重实用价值。

（1）利用智慧实训中心平台能够对实训设备的运行状态（正常运行、停电关机、发生故障等）进行联网远程监测，并建立监测数据分析系统，从而实时显示设备运行状态，并对故障设备提供远程断电保护，有效避免了实训设备因局部隐患而引发的机械故障和安全事故，减少了实训设备维修成本。

（2）利用智慧实训管理系统能够对实训场所内的可燃气体和光电烟雾进行监测和报警，且能够实现智能控制门窗；利用移动客户端能够实时查看实训场所内温、湿度及地面水浸情况。同时，通过云计算和人工智能技术对各环节数据进行分析和处理，利用分析结果，可制定出科学合理的实训硬件环境以及机械设备维护保养方案，充分提升各设施和机械零部件的使用率，避免过度维护，既提高了设备、设施的工作效率又节约了维修成本。此外，利用上述方案可制定出实训设备设施的安全防范措施，从而为实训场所内机械的使用、保养、维修等提供参考依据，为实训教学安排和安全管理提供科学指南。

（3）实现实训教学与智慧校园管理系统的对接和信息传递，实时查询设备、耗材、工具的使用信息、设备运行状态信息以及各实训工种课程安排信息等。同时，智慧实训中心能够为各专业的实训教学安排提供科学的分配方案，使各实训室的硬件环境和设施设备得到合理利用和科学维护，从而提高实训教学效果，保障师生人身安全。

4 结语

本文立足于现有实训环境，将物联网技术在智能家居、智能楼宇等方面的结构和特性应用于实训教学管理系统，探索出了智慧型实训中心模型，构建了基于物联网技术的实训设备监测与智慧实训中心平台，并实现了与智慧校园系统对接。通过智慧管理系统，能够为学生提供良好的实训环境和实践平台，同时为教师、学生和管理人员提供智能化、安全化、可视化的管理平台。通过与智慧校园的对接和信息传递，为全校师生提供一个集信息整合、采集、传输、发布于一体的综合实训信息服务平台，实现了从物理环境、资源到教学管理的数字化、智能化管理模式，有效提高了实训教学的信息化程度，提升了实践教学管理水平。