基于物联网的计算机实验室管理系统设计

摘要：随着高校的发展，计算机实验室成为重要的学习场所。而随着高校对于计算机实验室的投入不断增加，其管理工作成为亟须解决的问题。通过运用物联网技术构建计算机实验室管理系统，旨在实现对实验室环境参数、实验设备运行状态等多维度信息的高效采集与实时监控，提高计算机实验室的管理水平。

关键词：计算机实验室；物联网；管理系统

中图分类号：TP311.5；TN925+.93 文献标识码：A

0 引言

计算机实验室的管理是高校日常管理中的重要环节，不仅关系到教学和科研工作的顺利进行，还涉及学生实践能力的培养。物联网技术是互联网技术发展形成的一种产物，由感知层、网络层和应用层组成[1]。本文将物联网技术应用于高校计算机实验室管理系统中，以促进实验室管理信息化发展，解决当前实验室管理存在的问题，实现对计算机实验室的全面监测，降低人工成本。

1 系统需求分析

需求分析是识别现有管理问题后对新系统功能的详细研究。随着高等教育的普及和学生数量的增加，高校无法应对日益复杂的实验室管理挑战，如设备增多、课程安排复杂、人员流动频繁等，进而导致设备损耗、维护滞后、安全问题处理不及时等问题[2]。这些问题的根源是信息化水平低和管理效率不高。因此，实验室信息化管理系统的目标是实现全面、实时的实验室监管，以提升管理效率。图 1为计算机实验室信息化管理系统功能需求。

计算机实验室信息化管理系统应具备如下关键功能以符合信息化管理需求。具体功能：①设备监控系统。该系统应具备收集设备运行参数的能力，如工作电压、电流、功率等，通过深入分析这些基本数据，能够准确评估设备的工作状态和运行时间，从而为系统提供坚实的数据支撑。②信息化管理界面。设备运行状态和环境参数数据应通过网络实时传输至中央服务器数据库，管理平台在此基础上进行高效的数据管理、深度分析，并实现数据的可视化呈现[3]。③环境监控功能。系统需集成环境参数监测的功能，包括温度、湿度、光照强度和空气质量等基本环境指标，可根据预设的时间间隔进行数据采集。在遭遇如火灾等突发情况时，系统能立即向管理者发送预警通知，以便及时采取应对策略。

2 系统整体设计

如图2所示，本文规划的计算机实验室管理系统架构采用基于物联网的3层架构设计。其中，第一层为感知层，也是架构的底层，利用ZigBee（紫蜂）无线传感器网络技术，并且通过众多微型监测器，实时跟踪实验室设备的状态。收集的数据通过ZigBee无线网络传输至ZigBee网关。第二层为网络层，设有两台服务器，一台为数据库服务器，专门存储感知层获取的数据；另一台为应用服务器，它会从数据库服务器获取信息，并将这些信息发布至局域网或校园网。第三层为应用层，其主要面向实验室用户。用户可利用搭载网络浏览器的设备（如手机、电脑），对系统进行管理和控制，以实现便捷的远程操作。ZigBee网络由协调器、路由节点和终端节点构成，可根据需求形成星形、树形或网状结构。在计算机实验室的有限空间内，系统采用星形结构的网络，该网络的路由节点和终端节点可直接与协调器通信，便于管理且数据传输效率高。

3 关键技术

3.1 嵌入式系统

嵌入式系统可被定义为一种集成系统，由硬件和软件共同构建，其设计目标是执行特定任务。本质上，它构成了一个定制化的计算机系统，其特征在于根据特定应用需求对硬件和软件进行优化，以适应功率、尺寸、成本和可靠性的严格限制。嵌入式技术涉及用于开发定制系统的技术，它也是物联网技术的关键构成部分，大约90%的计算机应用开发都包含嵌入式系统的开发[4]。嵌入式技术的起源可追溯至单片机技术，核心理念是通过软件对硬件资源进行管控，以实现电子、机电及数字产品的数据处理、控制和管理功能。相较于单片机，嵌入式系统更为复杂和先进，能够对所有资源进行集中调度和管理。

实时操作系统（real-time operating system，RTOS）为嵌入式系统设计的操作系统，旨在高效处理各类任务并迅速响应各种请求。以免费实时操作系统（free real-time operating system，FreeRTOS）为例进行说明，其具备以下特点：首先，FreeRTOS内核设计精巧，能适应嵌入式系统硬件资源有限的环境；其次，FreeRTOS具备出色的实时性能，这是RTOS最关键的特性；再次，FreeRTOS高度可定制，能紧密集成软硬件，并且根据不同的微处理器进行优化；最后，FreeRTOS的可靠性较强，能在各种条件下稳定运行，而可靠性也是衡量RTOS性能的关键指标。在信息采集设备设计中，本文采用基于Cortex-M4内核的微控制器，并结合国产的RT-Thread RTOS，以满足预期的功能需求。

3.2 数据库

数据库是一种专为数据管理与组织设计的计算机软件，也是一个高效能的数据存储中心。开源关系型数据库管理系统（如MySQL、MySQL AB）的数据库具有轻量级、运行效率高、开源免费和可靠性强的特点[5]。鉴于本文所开发的管理系统规模适中，因此选择了MySQL数据库作为支撑。

该数据库的主要功能是存储由数据采集设备发送的信息。具体包括：①管理员表。用于记录系统管理员的详细信息，分为普通管理员和超级管理员两类。②实验室表。包含使用系统中所有实验室的详细资料，如校区位置、所属学院等。③设备信息表。记录设备的运行参数，如设备编号、电压、电流等关键数据。④环境信息表。负责存储实验室环境的各项数据，如温度、湿度、光照强度等。⑤监控视频表。用于保存实验室监控视频或图片的元数据，如录制时间、起止时间、视频和图片的存储位置等。

3.3 目标检测技术

目标检测技术主要任务是定位和识别图像中的对象，包括对象定位和分类两个关键步骤。随着技术的演进，这两项功能的界限逐渐模糊化。该技术迅速发展并且形成了两种主要的检测算法类型：①区域卷积神经网络（region-based convolutional neural network，R-CNN）算法。该算法有两个阶段：首先在图像上生成一系列的候选区域；其次对候选区域进行分类和精确定位，R-CNN算法的精度高但效率低。②YOLO目标检测算法。该算法为单阶段算法，直接预测类别和位置，可以实现快速检测，但精度略低。两种算法各有优缺点，前者精度高但计算效率低，后者速度快但可能牺牲部分精度。本文主要聚焦于YOLO目标检测算法模型，该模型在检测速度与精度之间达到了良好的平衡，适用于实验室设备的检测与识别任务。

4 信息采集装置设计与实现

4.1 采集节点硬件设计与实现

如图3所示，采集节点包含核心控制模块、设备信息采集模块、环境信息采集模块（温湿度传感器和光强度传感器）、Wi-Fi模块和供电电源。各传感器模块统一管理数据采集与上传。硬件采用模块化堆叠设计，各部分功能独立，互不影响，便于维护、调试和根据实验室需求灵活调整功能。

4.2 采集节点软件设计与实现

软件设计在采集节点构建步骤如下：①在初始化阶段配置传感器交互引脚，建立Wi-Fi热点，设定服务器地址，初始化变量；②运行时，Wi-Fi模块（ESP-12E）通过串行通信向IM1253B芯片发送读取命令，接收并处理数据；③环境数据采集，ESP-12E通过模拟集成电路总线（inter-integrated circuit，I2C）读取温湿度传感器和光强度传感器数据；④数据上传，可以直接上传数据至服务器或作为客户端通过中继节点接入点（access point，AP）热点发送数据。

采集节点根据设备运行情况动态调整工作模式。设备未运行时，节点不工作以节省能源。设备启动时，节点会被激活，监控设备状态数据。ESP-12E提供3种低功耗模式：调制解调器睡眠（modem-sleep）、浅睡眠（light-sleep）和深度睡眠（deep-sleep）。其中，deep-sleep模式下，Wi-Fi关闭，工作电流小于1 mA，功耗较低。在本文采集节点软件设计中，当设备开机时，触发延时继电器，将GPIO16引脚置低，而该引脚与RST引脚连接，因此可以唤醒ESP-12E，经过一定延时后，继电器将断开，此时ESP-12E正常工作，采集设备的运行状态及环境信息并上传。当设备关闭时，节点将进入deep-sleep模式，降低功耗，等待下次唤醒。在此期间，环境信息按预设的时间间隔进行采集。当定时器计时结束后，发送低电平信号唤醒ESP-12E，采集环境和设备状态信息后，再次进入deep-sleep模式，以降低能耗。

5 系统功能设计

5.1 门户网站

门户网站不仅具备高效的信息发布和宣传能力，同时也是一个集中的登录注册入口，旨在提供便捷的操作体验[6]。门户网站可以真实反映实验室或教学管理的核心价值，是学校展示独特形象的窗口，使访问者能够迅速了解其概况。在学校内部，门户网站扮演着导航的角色，方便用户获取所需资源。此外，门户网站还作为信息发布的重要平台，助力用户及时掌握学校政策、活动信息，是学校信息流通的枢纽。

5.2 实时监测和智能控制系统

计算机实验室可被视为一座知识的堡垒，需确保每一台设备安全、精确、稳定地运行，这些设备构成了学生研习数字领域、教师传递智慧的牢固基石。为保障每一次实验操作的顺利进行，采用物联网技术对实验室的电力系统、安全措施、消防设施等各个层面实现全面的监控与管理[7]。

5.3 开放预约管理系统

预约管理系统的核心是实验室的智能访问控制机制，旨在为学生的研究活动和教师的创新实验安排预定时间。系统包含两种预约选项，即团队预约和单人预约。在同时运行的情况下，团队预约享有优先权，个人预约会相应地进行调整，以确保实验室的平稳运行和资源的高效利用。

6 系统测试

6.1 测试设计

在测试阶段，利用Windows 10操作系统，依托Eclipse作为开发环境，并借助Tomcat服务器进行服务支持。硬件配置方面，系统配置2.4 GHz的处理器和4 GB的内存。在系统完成研发后，研究人员进行全面的检查，确保所有功能都符合预设标准。

6.2 测试结果

在对本文设计的实验室设备的系统性评估过程中，基于计算机实验室环境采集的图像，借助实验室管理系统对计算机设备进行了精确无误的辨识与检测，检测效果图如图4所示。实验结果证明，本文设计的计算机实验室管理系统在复杂多变的实验室场景中，展现出稳定且高效的检测性能。

7 结语

综上，通过将物联网技术应用于计算机实验室管理系统中，以教学为核心，全面提升了实验室的智能化管理效率。同时，对实验室的每一个细节和任何细微的性能变化，都应进行严格的监控。设备间的智能互联可以形成无形的高效网络，保证整个实验室的顺畅运行和持续活力。

参考文献

[1] 沈晓玲. 基于物联网的计算机实验室数字化管理系统研究[J]. IT经理世界，2020，23（6）：208.

[2] 候振. 基于物联网与大数据的高职计算机实验室管理系统设计与实现[J]. IT经理世界，2024，27（5）：50-52.

[3] 许萌，雷亮亮. 基于物联网技术的高校实验室资产管理系统设计[J]. 信息技术与信息化，2020（9）：105-109.

[4] 杨勤.基于物联网的计算机实验室管理模式分析[J].数码设计，2023（1）： 113-115.

[5] 江金龙. 基于VOI云管理系统的高校计算机实验室应用研究[J]. 软件，2023，44（6）：172-174.

[6] 佟禹欣.计算机实验室远程控制与管理系统的设计与实现研究[J].中国新通信，2022，24（20）：57-59.

[7] 罗亚萍.计算机实验室管理系统的设计与实现[J].电子制作，2022，30（16）：55-57.