基于物联网的实验室综合管理系统建设与实践

吴 葛，尹 仕

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引 言

高校实验室是大学教育中十分重要的环节，是开展实践教学、科学研究以及双创等活动的重要场所，它不仅承担着传统的实验教学任务，同时也承载着培养学生实践思维、行为以及道德习惯的重任［1-4］。传统实验室的管理工作处于人工管理阶段，不仅耗费管理人员大量时间，实验室开放程度也难以做到最大化，且难以保证在开放时实验室设备及人身的安全［5］。

电气与电子工程学院实验教学中心是国家级电工电子（电工）实验教学示范中心（以下简称：中心），中心承担着全校20 多个专业不同实验课程的教学及管理，学院大型仪器设备（以下简称：大仪）开放共享以及实验室对外开放等工作。当前，中心在服务师生人数，大仪共享，实验室开放等方面的需求急剧增加，在保持中心现有人员编制数量不变的情况下，如何利用信息化手段提升管理水平，成为亟待解决的问题。基于此，中心建设了基于物联网技术的实验室综合管理系统，并取得了较好的效果。

1 实验室传统管理模式的问题

随着中心承担的工作不断加深、加广，传统的实验室管理模式已经不适于现在承担的工作，主要存在以下一些问题。

（1）门禁授权管理无法适应。原有门禁系统对被授权人员信息是用手工录入、永久授权，无法按照课表灵活地给学生以及任课教师授权，给上课早到的学生以及任课教师都带来了极大不便，且无法适应教学实验室人流量大、人员临时性进出的特点。

（2）实验课程排课不便。中心原没有排课系统，排课全靠人工完成，且没有一个统一的平台让学生了解中心整体排课情况。中心承担了全校20 多个专业的实验课程，不同专业排课具有不同的需求，且需求的提出也没有统一规范，全靠人员协商解决。排课信息不能及时公开，这给排课教师带来了极大不便，也给学生预约开放实验带来了极大不便。

（3）实验室开放难。①中心原有开放机制为：日常实验室开放期间（包含上课）有多余台位，学生自由进入实验室自主进行实验；固定时段开放特定实验室。②带来多方面的问题：教师上课期间，学生自由进出易扰乱正常教学秩序；学生无法预知每个实验室多余的台位数，需逐个实验室寻找多余台位，甚至繁忙时徒劳无获，易给学生带来负面情绪；实验设备的利用率、故障率、维护频率等数据不便统计；管理人员难以统计开放实验人时数，造成统计数据不准确。

（4）大仪共享水平低。中心原来使用的是学校统一管理系统，使用过程中出现较多问题：实验后管理员线上核实金额，用户线上确认金额，存在滞后，遇到分歧时，沟通费时费力；原系统仅能进行电脑端操作，不方便手机使用，操作不便；原系统无法进行数据统计，或者不能根据需求统计相关结果。

（5）实验室安全意识弱。学生安全意识薄弱，在使用完设备后，经常忘记切断电源，尤其是雕刻机、腐蚀机、砂轮、热转印机、电烙铁等比较危险的设备，容易产生安全事故。

2 系统建设目标

为提升中心服务管理质量，建设实验室综合管理系统（以下简称：系统）。系统以建设精细化、精准化、高效管理的信息化实验教学体系为目标，建立实验室综合管理系统基础平台及相关应用，实现实验室设备及资源、人员、教学过程相关数据的自动收集、智能处理、应用整合。即在校园网以及学校各类智慧校园信息系统的基础上，利用互联网、物联网以及大数据等技术手段，针对实验室日常运维管理、实验教学与学习过程、实验室安全有序开放等进行信息化、自动化、精细化、精准化管理，为实验室科学管理、实践教学质量提升提供支撑。

（1）实验室日常工作管理有据可查。中心作为学院实验教学、科研创新、学科竞赛的主战场，涉及实验室对外开放、仪器设备管理、师资信息维护、实验项目数据跟踪；为支撑学科评估、工程认证以及实验室考核等工作，需要对成果与项目进行管理跟踪［6-7］。

（2）实验室安全有章可循。实验室是师生从事教学、科研的重要场所，人员大量流动、实验设备频繁使用、操作的安全性等都是诱发实验室安全事故的潜在因素。充分利用信息化手段，完善实验室管理制度，保障实验室安全运行［8-9］。

（3）闭环反馈辅助实验教学。构建基于实验室数据感知（仪器数据、物联网传感器数据、音视频数据），数据融合（实验内容分析、教学数据分析、学情推送）和数据应用（教学监管、教学决策、教学效果评价、学情监测预警、学习能力评价）的信息系统，推动教学改革与迭代［10-11］。

（4）大仪共享水平日益提升。大仪作为一种科研硬件基础设施，其开放共享程度，关乎高水平创新成果的产出效率。学院政策保障，统筹规划，将大仪交由中心统一管理，构建大仪共享平台，保障仪器预约共享，同时对设备使用情况、运行状态进行统计分析，方便机时统计同时提升其使用效率［12-13］。

3 系统架构与功能

3.1 系统架构

系统部署架构如图1 所示，主要分为两部分。“实验室管理系统云端”部署于校网络中心的云服务器中，系统云端架构采用前后端分离方式，应用层通过Web Service方式调用平台提供的接口，对外提供实验室管理的应用功能服务。支持Web浏览器、华中大微校园（微信端）等访问方式，并与学校统一身份认证系统、师生共享数据、校园一卡通等进行对接。“实验室管理系统设备端”部署于中心大楼内，设备端在楼栋内组成局域网，通过局域网路由器提供对外访问通道，出口路由器通过实验室房间的网络接入校园网，LAN口则通过以太网接入电子班牌、大屏、无线智能网关（设备网关）等网络设备。同时设备网关通过无线的方式、与其他的设备节点组成星型无线网络，从而达成各类型设备节点之间的通信功能。各设备节点最终通过出口路由器与云端服务进行消息通信。两大系统接驳于校园网，云端系统为用户提供服务，同时也能通过校园网络对设备端进行监控。

图1 实验室综合管理系统部署架构图［14］

3.2 系统功能设计

在提升师生安全意识的基础上，为了更好地服务实验教学与实验室开放，提升大仪共享程度，中心采用模块化设计思想，构建基于物联网的实验室综合管理系统，系统集实验室人员设备管理、实验室对外开放管理、实验课程教学、实验室安全以及大仪共享等功能于一体。

按照实验课开课流程，实验室综合管理系统业务流程可以划分为课前（进入实验室前）、课中、课外（开放）等部分，如图2 所示。下面将按照子系统依次对系统进行介绍。

图2 实验室综合管理系统管理及使用业务流程

（1）人员信息管理。人员信息管理主要包含用户基本信息，用户注册与审核，用户角色设置等用户参数设置。其中校内用户数据可以通过数据接口快速批量直接导入。

（2）实验室与设备管理。包含对区域、设备管理以及设备使用。区域管理是对实验室的地理位置，房间号，安全责任人，管理员等信息设置；设备管理是各个实验室的设备基本情况，设备的授权使用模式；设备使用管理主要记录设备的使用情况，设备可预约的时间管理，设备报修、维护以及使用记录统计等。

（3）实验室开放管理。根据实验室及实验室特定设备的使用要求、数量等，支持采用不同权限管理模式，如表1 所示。在满足管理需求的同时，最大化减少教师的参与。

表1 授权审批模式

配套物联网智能终端设备，针对实验室开放，进行实名制使用、自动化管理。对学生使用全流程各个环节以及使用行为进行管理，支撑无人值守下有序开放；监测推送各个设备的状态，对实验室各类设备进行全方位管控、实名使用，确保安全。将开放业务按照进入实验室前、实验中、实验后来划分，具体流程如图3 所示：①实验前设置准入考核。学生根据实验室及实验室特定设备的使用资料及其空闲时段进行预约；管理教师根据实验室的管理规定，对首次预约新设备的同学或者老师设置安全使用准入考核，包括设备安全考核以及实验室安全考核，通过考核之后，方能进入实验室。②实验中监管学生使用行为。学生在实验过程中的违规行为，不仅会造成资源浪费，还会大幅增加管理教师的工作量。因此，需要对学生在开放过程中的行为进行监督和管理。一方面，需要系统自动记录学生的使用行为，比如预约迟到、用完设备未关闭等，另一方面，需要学生在使用设备前，参照仪器设备的使用整理要求，对前一用户进行监管评价，并与用户的积分、成绩和后期的使用权限相关联。此外，系统支持用户通过扫码或者手动报修设备，管理员对报修进行确认、替换其他正常设备以及维修处理，并形成记录。③实验后对未关设备定时管理。设置设备的定时动作时间和时间范围，每次到设置特定时间点，设备或实验室相关设备自动关闭、打开、禁用、启用。

图3 实验室综合管理系统管理及运行流程

（4）实验室教学管理。系统针对实验教学各个环节开展过程性考核与管理，包括课程与教学、排课及选课、课堂与实验课程、自主学习与考核、报告与评阅、实验成绩综合管理6 个子系统。实现实验室课程教学计划设置、排课和排课结果推送。在减轻教师工作量的同时，对教学资源及实验开课全流程精细化、精准化管理。将课内实验教学与课外实验室开放，进行有机融合，构建以课内实验教学为主，以课外开放实践为辅；以课内促进课外，以课外补充课内的实验教学体系。

（5）大型仪器设备预约。大型仪器作为“双一流”建设的核心支撑，是科研创新的核心动力［15］。传统课题组管理、人工预约模式相对落后，难以充分发挥大型仪器为教学、科研、社会服务。采用信息化建设手段，开展仪器有偿共享。

大型仪器设备预约系统，配合实验室开放管理系统使用，按照实验室预约流程进行，选择合适时间，若首次预约，需要进行安全考核。考核通过的师生可以通过平台查阅仪器的状态，选择合适时间自行预约实验，审核通过后，下载预约单按时实验。实验后，报告相关数据，整理归档，并以预约单为凭证，按照收费标准，完成收费管理。

（6）通知和消息管理。主要包含日常开课通知、预约审批等各个流程的通知。

（7）后台配置管理。主要配置系统基本信息，包含学期时间设置、系统数据管理、系统使用日志等，供超级管理员进行配置使用。

4 系统建设成效

中心基于物联网的实验室综合管理系统自2019年建成上线以来，在实验室日常，实验室开放、安全，课程以及大仪预约等方面的管理均有显著效果。

（1）实验室日常管理运行效率显著提高。设备扫码报修及时、无纸化，维修台账清晰永久化，有据可查；年度考评数据材料，项目研究、科研成果等数据系统化，2019—2021 年期间，中心在学校教学实验室考核中均获得“一等奖”。

（2）实验室开放程度不断提升。实验室预约系统完成与微校园的对接，学生在手机端或者PC 端可以随时查看实验室资源，按需预约；实现课程与门禁、电源联动，学生上课期间，自动获取权限，可凭借校园卡或者微信扫码、微校园应用直接开启实验室门禁。

通过系统的建设，中心成为全院学生学科竞赛、大学生创新训练等实践活动、创新活动的首选平台。2019—2021 年期间学院学生大创项目参与度达到100%，省级以上项目立项比例分别为13%，20%，45%，逐年提升。近3 年本专业学生获得的各类比赛奖项有：2019 年获全国一等奖7 项、全国二等奖11项，全国三等奖2 项；2020 年获全国一等奖6 项、全国二等奖11 项、全国三等奖2 项；2021 年获全国一等奖8 项、全国二等奖16 项、全国三等奖6 项。

（3）实验室安全运行有保障。中心以系统为基础，根据本专业特点开设了“电类实验室安全课程”，构建系统化、常态化的实验室安全培训体系［16］。同时，对初次进行实验室设备预约的师生设置仪器设备安全考核以及实验室安全考核，再辅以物联网技术监控设备运行状态以及学生实验行为，多项措施并举，有效保障了实验室安全，近3 年无安全事故发生。

（4）实验课程全流程监控，闭环反馈辅助教学。从排课、选课，实验过程管理，自主学习考核，报告评阅，成绩反馈等所有环节集中于同一个系统，通过实验数据感知、融合与应用，支撑了课程建设与教学研究项目的申报。

中心近3 年新开课程3 门；改革课程2 门；整合课程1 门；主持或参与各级教学研究项目10 余项；主持或参与实验技术研究项目10 项。

（5）大仪共享能力提升。学院改革仪器设备课程组管理模式，交由实验中心统筹资源配置，通过建设可支持手机微校园使用的设备预约系统，简化预约流程，管理透明，提升了仪器共享效率以及效益。

2019—2021 年期间，在学校大型设备管理（效益）考核中，学院连续3 年获评优秀单位，学院先后11 个机组获得“优秀机组”称号。大仪系统使用以来，共享收益连年翻倍，从最初的几万元到现在的几十万元，呈现逐渐加速增长的趋势，为仪器的运行维护提供了强有力的经费保障。

5 结 语

基于物联网的实验室综合管理系统的建设，规范了实验室日常管理的流程，提升了效率；开设安全课程，设置准入考核，监控设备状态以及学生实验行为，多措并举提升了实验室开放水平，助力实验室安全运行；资源统筹，优化流程，提升了学院大仪共享水平；全方位监管实验课程实施过程，闭环辅助教学改革与迭代。