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自2009年8月總理提出“感知中國”這一物聯網建設議題以來，物聯網技術連同其在各個領域的應用受到了人們越來越廣泛的關注。物聯網，被譽為是繼計算機、互聯網、移動通信網之后的又一次信息化產業的浪潮。作為互聯網、移動通訊網等應用的增長點，將會大大促進信息化的應用，不僅僅可以提高經濟效益，還可以為國家的經濟發展提供技術動力，為產業行業開拓了又一潛力無窮的發展機會。隨著信息技術和物聯網的發展和普及，物聯網涉及各類產業和人們生活的方方面面，將大大提升互聯和智能方面的特性，使實現智慧地球的夢想成為可能［1－2］。物聯網技術在高校實驗室管理中的應用，綜合運用了現均已趨成熟的RFID、WSN技術、智能技術、納米技術等知識，將實驗室中的所有物品，包括儀器設備、辦公用品、實驗耗材、實驗環境、實驗人員等，與網絡連接起來、與移動信息網連接起來，真正實現實時的遠程控制，物聯網技術的新時代必將為人們帶來生活上、工作上的全新體驗［3］。

1物聯網技術概念

“物聯網”技術是指通過RFID、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，以有線或無線的方式把任何物品與互聯網連接起來，以計算、存儲、分析等處理方式構成所關心事物的動態和靜態的信息知識網絡，用以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［4］。物聯網的用途非常廣泛，遍及城市管理、數字家庭、定位導航、現代物流管理、食品安全控制、零售、數字醫療、防入侵系統［5］等諸多的領域。

2高校實驗室管理現狀

高校實驗室管理目標可以分為安全性、高效性、精確性、經濟性、便捷性等。目前，高校實驗室管理最常用的方法還是主要依賴于相關實驗管理人員的定點管理以及實驗室制度規章的硬性約束這兩大措施，而這需要大量的實驗室管理人員并投入巨額的維護經費，通過在實驗室管理中應用物聯網技術可以大大降低人員費用的開支。

3基于物聯網技術的高校實驗室管理方案

3.1建立中央處理單元

中央處理單元是整個系統的核心，它要能提供強大的數據分析和處理功能，在以下各個模塊間起到橋梁的作用，能將各模塊的信息進行實時交換、處理、分析并反饋。通過物聯網及其他專業技術將實驗室中各儀器設備與中央處理單元相結合，便可實現實驗室管理員與儀器設備之間的人機互動:管理員可對儀器設備進行信息更新、維護安檢、使用預約以及過程監控等操作;儀器設備也可向實驗室管理員報告其實時運作狀態、環境安全等。

3.2建立設備管理模塊

為有需要的儀器設備安裝一個RFID標簽，相當于賦予每一臺設備一個“身份證”。通過讀寫裝置可以非常方便地讀取設備的詳細信息，例如，名稱、規格、型號、生產廠家、經銷商等;還可以通過讀寫裝置寫入需要添加的內容，例如，單位、實驗室地點、注意事項等。另外，設備的維修保養是相當重要的一個部分，可以隨時通過中央控制單元或便攜式的讀寫裝置將設備的維修記錄詳細地標注在RFID標簽中，需要時便可十分快捷地獲取到維修信息，并且，通過設置中央控制單元，可定期定時地提醒管理人員對儀器設備進行檢修。由于每次巡檢和維護的結果都記錄存儲于芯片而且這些信息是不能夠隨意更改的，這就可以避免如果出現和實驗設備相關的責任事故，不能明確人為責任還是設備責任的問題時，使實驗設備日常維護工作變得有據可查［6］。設備管理模塊大大簡化了繁重的入庫和檢修工作。

3.3建立物資管理模塊

實驗的進行常常都伴隨著實驗物資的大量消耗，通過設計相應的物資管理模塊，通過傳感器等檢測裝置，一旦實驗室中某種物資的存儲量低于系統設定的最低值時，該模塊將信息傳遞給中央處理單元，中央處理單元再通過移動網絡發送信息至實驗室管理員的智能手機、平板等移動終端上，內容包含該種存儲物資的剩余數量及所需數量等，以方便實驗室管理員及時添加物資或向商家發出補貨訂單。

3.4建立過程監測模塊

實驗的順利進行需要實驗人員的正確操作，但實驗過程中，往往由于粗心大意等原因造成不可估量的損失，這在電子教學實驗室中尤為常見。大量專業知識匱乏的學生經常會因錯誤的操作造成實驗儀器的損壞，例如，過載、欠壓等。通過實驗監測模塊，實驗指導者可預置必須要用到的實驗元件，如熱繼電器，通過比較實時操作與預置的情況是否一致，該模塊一旦檢測到實驗人員在實驗過程中未接入該元件或連接錯誤時，會自動斷開使電路無法運行避免造成儀器損壞，并將信息反映給實驗指導人員，方便找到錯誤原因且及時更正。這將大大提高儀器設備的使用壽命，省去大量的維修及購買經費。實驗過程數據可以被實時采集并以適當的方式提供給實驗者，實現實驗教學的數字化、網絡化與智能化［7］。

3.5建立人員監測模塊確保進入實驗場所人員的安全有序是實驗室管理的重要環節。在實驗室入口處安裝一個固定的RFID射頻閱讀器，并給相關的師生配備一個電子標簽(電子標簽可進一步設計與校園一卡通集成)，這樣一來，當師生進入實驗室時，閱讀器便會非常方便地讀取該人員的基本信息，例如，姓名、學號、聯系電話等，同時相關信息也將通過物聯網發送至中央處理單元登記存儲。若需要相關考勤的記錄，便可通過中央處理單元調用數據庫中的記錄，非常快捷的導出考勤表等詳細內容，省去了大量煩瑣的簽到工作。而該模塊一旦監測到非授權人員擅自進入實驗室時，便可立即發出警報并發送信息至實驗室管理人員的移動終端，管理員便可第一時間采取應對措施，這對于需要重點保護保密的實驗室有非常好的效果。

3.6建立環境監測模塊

不少實驗室對于實驗環境有著不低的要求，而環境監測不光可以幫助實驗順利進行，還可以在出現安全問題，如火災、漏氣等情況時第一時間啟動應急措施。環境監測模塊可以安裝溫度、濕度、氣體、光電傳感器等，并與110聯網，通過中央處理單元的反饋，中央處理單元或實驗人員即可做出相應的控制。而該模塊一旦監測到實驗室出現火災、漏氣等險情時，中央處理單元將立即啟動消防系統并報警，同時發送信息至實驗室管理人員的移動終端，使安全問題在第一時間得到有效控制。

4結束語

本文通過構建一個基于物聯網的模塊化設計實驗室管理平臺，來實現高校實驗室內的硬件管理、人員檢測及安全監測等內容，該系統可以較好地改進高校在實驗室管理中存在的信息化程度低、管理工作繁重復雜等問題，對于高校智能實驗室建設具有一定的借鑒意義。

作者:徐曉坷 陳惠明 李玉榮 單位:南京林業大學

參考文獻:

［1］黃崢，古鵬.物聯網實驗室建設研究與探討［J］.實驗技術與管理，2012，29(2):191－195.

［2］朱勇，張昕明，王寧.基于射頻識別技術的物聯網專業綜合實驗研究［J］.實驗技術與管理，2012，29(6):17－19.

［3］ZORAIM.FromToday'sInternetofThingstoaFutureIn-ternetofThings:aWirelessandMobilityRelatedView［J］．IEEEWirelessCommunications，2010，1536－1284:44－51.

［4］楊剛，沈沛意，鄭春紅，等.物聯網:理論與技術［M］.北京:科學出版社，2010，5.

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中圖分類號：G710 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0182-01

1 物聯網專業實驗室的目標與要求

1.1 物聯網實驗室建設目標

高校應以“把握發展趨勢，提高應用能力”為目標，提出基于物聯網信息平臺的智能化實驗室解決方案，其意義在于：提高教學科研水平，提高學生應用能力，促進學生就業，提升學校競爭力。

高校面向基礎性教學實驗、面向行業綜合應用性實驗、面向學校科研項目開發性平臺為目的，促進物聯網實訓室的建設。以實訓室為基礎，聯合各方力量，促進物聯教學的發展、物聯網人才的培養。

1.2 實驗室物聯網人才培養

物聯網是計算機科學與技術、網絡工程、電子技術、信息工程、通信工程及其兩邊緣科學交叉滲透、相互融合的基礎上發展起來的一門新型應用型學科。專業立足于計算機專業類知識培養體系，注重學生基礎知識掌握、綜合素質的提高和應用創新能力培養。以物聯網技術為基礎，研究從感知層（包括傳感器、射頻識別、核心控制等）到網絡層（包括傳感網絡、通信系統、計算機網絡等）再到以面向產業和行業應用的應用層相關的理論和工程應用問題，重點突出實踐能力和應用創新能力的培養。注重培養能適應物聯網工程所涉及的多學科發展需求的新型創新人才，為我國以物聯網和傳感網為代表的下一代信息技術新興產業發展輸送急需的開發、管理、生產等人才。

2 物聯網實驗室具體建設方案

2.1 物聯網應用實訓室（能應用）

物聯網應用實訓室以物聯網工程信息平臺為核心，構建融合有線IP網、寬帶無線局域網、光載無線技術、無線傳感網絡、嵌入式設備以及系統軟件和應用軟件于一體的物聯網無線WiFi及傳感網絡實驗平臺。各種接入設備（傳感器件、控制器件、移動終端、教學電腦等）都可以無線接入物聯網工程信息平臺，成為物聯網實驗設備的一部分，構建物聯網的感知層；系統通過統一的物聯網信息中心，完成數據的存儲、分析和應用。應用可以根據學校的專業建設方向進行選擇，以滿足物聯網專業建設的定方向，能應用。

2.1 物聯網信息平臺（定方向）

1.物聯網信息平臺簡介

物聯網信息平臺是物聯網實驗室整體解決方案的核心和基礎，將實驗箱、實驗套件、物聯網綜合應用系統（智能家居、智慧實驗室、智能物流、智能工業、智慧超市等）等接入統一的物聯網信息平臺，實現多課程、跨實驗設備、多系統的綜合應用實訓，同時，智能手機、平板電腦、第三方實驗設備等智能終端和設備也可接入物聯網信息平臺，成為實驗設備的一部分，從而大大改變實驗的形式、效果和內容。

2.平臺應用的DIY

物聯網信息平臺的接入采用標準計算機網絡協議（TCP/IP），方便智能設備的移動接入，同時系統預留外網接口，提供學生本地、遠程網絡訪問實驗室系統，開展本地/遠程網絡實驗。

物聯網信息平臺配置數據服務器，提供遠程網絡授權訪問，支持資料下載、遠程實驗和遠程授課、學習。

3.提供教師物聯網科研平臺

物聯網信息平臺提供一個開放的專業平臺，包括硬件資源、網絡資源、軟件資源，是教師和學生開展物聯網相關科研的極好平臺，可以開展感知層基礎研究、分布式天線系統研究、無線網絡分布研究、室內定位研究、分布式數據庫和云計算研究、以及應用系統研究。

2.2 物聯網基礎教學實驗室（寬基礎）

基礎教學的核心課程以物聯網網絡體系、射頻識別和無線傳感器網絡為主要教學課程，可通過學習和實驗掌握物聯網最基本網絡和無線射頻技術知識，為后續的物聯網應用實訓打好扎實的理論基礎，滿足物聯網專業建設中的“寬基礎”的教學。

（1）物聯網開發應用實驗箱（能應用）

該實驗箱包括種類豐富的感知層設備和網絡層接入設備，以及采用Cortex-A8體系處理器的嵌入式開發板為數據網關，配合物聯網信息平臺所搭建的無線WiFi網絡平臺以及配套的應用軟件，學生可以直觀地感受和學習到物聯網所涉及的知識，為接下來的專業知識學習打下良好的基礎。

產品應具備功能與特點。

1.傳感器種類豐富應涵蓋了電容式傳感器、電阻式傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器等10余種不同種類的傳感器。

2.實驗箱搭配高效能Cortex-A8開發板搭載Android操作系統，學生可在本地對采集數據進行處理。

3.實驗箱提供了物聯網中間件技術相關章節，提供了完整的設備指導學生動手做出串口WiFi中間件，了解中間件在物聯網中所起到的承上啟下的作用。

4.完整詳盡的實驗指導書，源碼詳細注釋并且完全開放方便學生學習和二次開發。

5.實驗箱上的每個節點留有豐富的外設接口，方便后續外設擴充需要。

（2）RFID實驗箱簡介

實驗箱應囊括業界普遍使用的四款RFID模塊即低頻（LF）RFID模塊，高頻（HF）RFID模塊。特高頻（UHF）RFID模塊以及2.4G微波模塊，實驗課程重點放在對于各頻段RFID模塊的管理、控制以及上位機程序的應用開發上。學生們可以利用開放的通訊協議，使用多種編程語言（C/C++，JAVA等）編寫上位機應用程序與RFID模塊進行數據的采集交互。于此同時結合聯網信息平臺提供的網絡平臺，可以實現多個實驗箱之間的互聯互通，從而模擬出諸如倉儲物流等RFID廣泛覆蓋的行業應用場景。

產品應具備特點與功能。

1.實驗箱應集成了RFID技術所涉及低頻、高頻、特高頻以及2.4G微波四種RFID模塊，無需額外采購其他模塊。

2.提供各個模塊的完整的通信協議，學生可以直接通過協議接口利用多種編程語言與模塊進行數據交換。

3.實驗箱搭配WiFi模塊可以直接接入物聯網信息平臺，真正實現實驗箱與實驗箱之間的互聯互通。

4.實驗箱應配套有豐富的設備（蜂鳴器、數碼管、矩陣鍵盤、LED燈）。

3 應用技術型大學實驗室建設的思考

由于高校擴招的原因，目前2015年的應屆高校畢業生突破700萬人，對就業市場是一個很大的壓力，但是市場對人才的需求反而得不到滿足，其原因是很多高校的人才培養與市場人才的需求不一致。就以目前的獨立學院為例，其畢業生最欠缺的能力就是實踐動手能力。而用人單位對獨立學院的畢業生最看中的也就是這個能力。所以目前應用型高校應向技術型大學轉變。轉型最關鍵在于對技術學生的動手能力的培養，學生動手能力的培養最關鍵硬件設備就是高校實驗與實訓室的建設，所以對于應用技術型大學的物聯網實驗室建設改革也迫在眉睫。

參考文獻

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中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）25-0039-02

2016年2月，國務院針對城市交通阻塞問題提出了“街區制”的解決方案，提出居民小區和企事業大院應逐步向社會開放，優化城市路網，提高城市的交通效率。2016年7月，中國人民大學，北京航空航天大學，中國政法大學等多所北京高校率先開放校園道路，以促進區域交通微循環，減少過往車輛繞校園的現象，被社會媒體解讀為“大學拆墻”。很顯然，隨著中國高校從上世紀五十年代的“大院制”向世界名校“街區制”的發展趨勢，中國高校將呈現開放式辦學的全新姿態，向社會提供了交通資源、教學資源、實驗資源與科研資源，這是當前中國高校開放式辦學的宏觀背景[1]。

隨著普通高校對教學目標的重定位，特別是各類工程院校意識到培養應用型人才才能響應中國生產力提升的需求，能解決學生就業難問題，因此提出了多種新型的實踐教學法，與生產需求掛鉤，請企業工程師擔任實踐教師，圍繞著生產問題而布置學習內容[2]。這樣實驗室從傳統的理論教師安排實驗項目，轉變為學生根據生產需求，在實踐教師的引導下，自發申請實驗項目。理論教師根據學生申請，安排實驗室開放時間和開放項目，學生可以在指定的時間，在企業工程師、理論教師的共同指導下開展實驗。這是當前中國高校開放式辦學的微觀背景[3]。

綜上所述，在中國高校開放式辦學的需求下，高校的實驗樓周邊人群復雜，實驗室利用率提高，實驗安排繁忙，實驗項目從風險可控的驗證型實驗向不可預見結果的研究型、設計型實驗轉變，從而形成了越來越難以掌控的實驗室安防態勢。在復雜的實驗室開放環境下，一旦發生實驗室突發事件時，因為校保衛處和保安公司對實驗室情況不熟悉，采取錯誤的應對措施，就會引發嚴重的事故。因此在實驗室事故發生時，需要采用先進科技判明事故類型，查詢最佳處置預案，把事故詳情通知實驗室的責任人，把處置預案告知保安，并調集實驗室師生前往支援。針對這一需求，應用“感知層、網絡層、應用層”三層開發架構，設計了一個開放實驗室物聯網安防系統，將能有效地控制突發事故時的經濟損失和人員傷亡[4]。

1 物聯網架構的設計

本設計在實驗室前端安裝了各種傳感器，以實現事件類型的感知。一般來說，門磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測門窗在未開放時段被異常打開的突發事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學實驗室的操作臺，用于檢測實驗過程中操作流程錯誤導致的毒氣泄露事件；可燃氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃氣體管道附近，用于檢測實驗后未關閉氣管的事件；RFID傳感器布置成有線的形式，分為兩種，一種是915Mhz的10m距離的讀卡器，用于檢測貴重設備是否被帶出特定實驗室，一種為13.56Mhz的IC卡門禁讀卡器，配合門磁傳感器，可用于非法入侵實驗室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無線的形式，布置在交通要道處，將隨著實驗樓承擔不同的研究任務而導致人流熱點區域改變即時調整位置，可以用于檢測實驗樓各區域的繁忙態勢，大數據分析表明，實驗室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關性；撞擊傳感器布置成無線的形式，用于檢測敏感區域破壞墻、門、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無線形式，用于在發生爆炸事故時，分析爆炸區域和規模，快速計算疏散路徑的用途；攝像頭采用串口通訊的方式，用于獲取突發事件發生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類型，減少誤報事故，同時事故瞬間相片也能讓實驗室負責老師在第一時間了解實驗室的真實狀態，更好指導保安采取正確的處置措施[5]。在每個實驗室內各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過有線和無線的方式，收集傳感器監測到的突發事件[6]。

在網絡層，MCU把突發事件編碼，拼接成“房間號，事件號”字符串，通過3G Modem，應用Socket通訊技術向云安防中心發送字符串。在實驗室突發事件的同時，MCU向攝像頭發出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過3G Modem，將事故現場相片上傳云應用層的安防中心。隨后，MCU也將報警以短信形式發送給實驗室的負責教師，將事故圖像以彩信的方式發送給實驗室負責教師。

物聯網的應用層也稱為“云端”，保衛處在云端建設安防中心，收到各實驗室MCU發來的報警信息后。第一步，先呼叫當班保安立即前往事故現象查看。第二步，在預案數據庫檢索相應的應對措施，調取師生安全員的聯系方式，對所有師生安全員群發事故短信，并撥打師生安全員手機，要求師生安全員到現場協助保安處置事故。第三步，向保衛處領導，實驗室相關院系領導，學校分管領導匯報警情，以備事件難以控制時，能更加有效地組織施救團隊，以及大規模調動應急物資。

2 硬件開發

在本系統中，感知層有較多的硬件開發工作。每個實驗室的核心MCU都要外接十多個傳感器，還需要連接“3G MODEM”。因此選擇飛思卡爾公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33個傳感器，也可通過“MAX232”芯片發送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”。“3G MODEM”選擇華為公司生產的“GTM 900C”，因為內嵌了“TCP/IP”協議，使得圖像上傳和彩信發送較容易實現。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產“GXT-Y101”的模塊，其特點是可以通過串口接受MCU發出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時。

網絡層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔，內置了“增強AT指令集”，因此具有較強大的Socket通訊、短信發送、圖像傳遞、彩信發送的功能。實驗表明，在傳遞“房間號，事件號”短信時，只需耗時4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實時圖像，只需耗時30s。

以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過IO腳檢測到傳感器事件；（2）MCU通過串口1，向傳感器同房間的攝像頭發送拍照指令“5600360100”，攝像頭完成事件瞬間的圖像的感知工作；（3）MCU向攝像頭發出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數據長度；（4）MCU發出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時長度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發出指令“5600360103”，攝像頭又恢復到待機狀態；（6）MCU通過IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態設置；（8）MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設置，即用本地的1237端口與互聯網上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPSEND = "（圖像數據）"”，完成事故圖像向云端的安防中心的上傳，傳遞50 kB的事故圖像約18s；（10） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進入待機狀態。

3 云端軟件開發

云端安防中心模塊結構見圖1，云端通過WINSOCK模塊接收各實驗室的門禁信息，通過WINSOCK模塊接收各實驗室的突發事件傳感器信息和現場圖像，通過一個“GTM 900C”模塊群發調度指令給當班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點，也可通過保安的手機移動APP實現對保安的調度。計算服務器接著按“房間號”、“事件號”為查詢關鍵詞，在SQL SERVER數據庫搜索相應的“處置預案”，并從處置預案中獲得師生安全員的聯系方式，通過第二個“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發處置預案，要求各人員嚴格按處置預案開展應急措施，避免事故擴大或造成應急人員傷亡。最后實現彩信群發，向所有應急人員現場照片，讓應急人員對現場內部狀態有較準確了解。

如果學校規模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監控體系，可以通過增加計算服務器來提高指令的效率。把各計算服務器布置成并行作業的狀態，每一臺計算服務器都具有應急指揮的完全能力，每臺計算服務器在下達應急指令過程中，從空閑狀態轉變為繁忙狀態，由其他空閑計算服務器來響應新的事故報警。該設計使得云端具有同時應對多個事故的指揮能力，而且即使若干計算服務器突然損壞，也不會導致應急指揮的中斷。實踐證明，每三百個實驗室、教室、辦公室配置一臺計算服務器，在多起突發事件同時發生時，云端仍然具有多點撲救的指揮能力。

4 結論

系統在南京理工大學紫金學院進行了測試。紫金學院采用了“項目教學法”來培養應用型人才，應用了“任務引領，實踐導向”的教學思想，學生在企業實踐教師的指導下，根據生產需求，自行設計了各種全新的實驗項目，傳統實驗室管理方法無法適應實踐教學的新需求。應用了基于物聯網的實驗室安防系統后，即使實驗項目日趨復雜，也能按傳感器類型對突發事件進行有效地分類，調取匹配的處置預案，更精準地指揮保安和師生安全員應對實驗室事故。而且在平時，實驗室安防系統可以從門磁傳感器數據統計實驗室的實驗教學的情況，根據IC卡門禁讀卡器數據計算學生實踐學時和教師的實踐課時，通過熱釋電傳感器了解實驗大樓的人群分布，及時調整巡邏保安的巡防區域。所以本系統不僅僅能發揮安防應急指揮的作用，也能加強實踐教學的管理。

參考文獻：

[1] 貫雪英. 項目管理理念應用于高中英語教學的可行性分析[J]. 學周刊， 2016（8）.

[2] 丁玉波， 王全英， 劉軍帥等. 論高職油氣儲運技術專業的專業定位與人才培養規格[J]. 天津職業院校聯合學報， 2016， 18（2）.

[3] 林宇洪， 陳清耀， 巫志龍等. 基于物聯網的實驗室安防報警器設計[J]. 江西科技師范大學學報， 2015（6）.

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引言

在學校“智慧校園”口號的推動下，高校教育得到了蓬勃的發展，國家和地方政府也加大了對高校教育的投入，高校辦學規模也不斷擴大。為了適應高校不斷擴大的辦學規模，學校在注重軟件建設的同時，硬件建設上也投入了重金，尤其是高校實驗室建設成為規模建設中的重點，儀器和設備不光在數目上有了很大的提高，而且在種類上也得到了極大的滿足，如此多的儀器和設備，尤其是一些精密高端的上百萬的儀器，傳統的管理方式已經無法滿足管理部門以及師生對實驗室管理的需求。再加上現如今高校在實驗室管理過程中還面臨多個校區的問題，這些設備和儀器可能分散在各個校區，這也給實驗室的日常管理增加了難度[1]。如何妥善保管，提高設備的管理效率，如何合理提高設備的利用率，更安全、合理、高效地將實驗室發揮到最大功效，成為高校實驗室管理過程中亟待解決的問題。因此，管理部門需要改進之前的管理模式，將這些設備和儀器充分合理地利用起來，一方面為全校師生服務，另一方面也給實驗室管理員帶來了便利。

現如今，隨著RFID技術的不斷成熟與完善以及RFID設備市場本身的開發，RFID設備的成本更加趨于合理，利用RFID技術為高校實驗室管理帶來便捷成為一種可能。

1.目前高校實驗室管理現狀

傳統的高校實驗室管理大多采用人工管理方式，設備和儀器采用標簽條形碼的方式逐條掃描，每年新購設備或儀器時，都要進行標簽粘貼，逐條掃描，工作量相當大。由于標簽自身容易脫落的缺點，幾乎每年都要重新粘貼新的標簽，而且標簽只包含設備或儀器的名稱、型號等簡單信息，在實際使用中工作量大，問題較多。

在設備和儀器的清點過程中，畢竟是人工操作，容易造成遺漏或重復登記的情況，造成資產清查難。在設備和儀器使用過程中，無法實時掌握各種設備和儀器的使用狀況，無法了解利用率，無法妥善保管。由于無法做到實時掌握設備或儀器的使用情況，也就無法及時進行維修或報廢，容易造成教學或實驗過程中的安全事故。

2.物聯網RFID技術

物聯網[2-5]是新一代信息技術的發展產物，是利用局域網或互聯網等通信手段把傳感器、控制器、設備、人、物等相關聯的網絡，具有信息化、互聯化、智能化等特點。物聯網RFID技術就是將實驗室所有物品通過無線射頻識別等傳感器與網絡互聯起來，實現對物品的智能化管理。

RFID技術[6-10]即射頻識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術，由電子標簽、閱讀器、天線和應用系統四個部分組成。其重要的原理是閱讀器通過耦合原件發出一定頻率的射頻信號，當貼有電子標簽的物品進入可識別區域，再將貼有電子標簽的物品信息傳輸給閱讀器進行讀取，實現對物品的自動識別。

RFID技術特征包括：

①數據采集快速化。由于電子標簽里存儲著設備和儀器的各種信息，在射頻信號覆蓋的范圍內，設備和儀器無需接觸就可以通過自身內置的RFID電子標簽獲取信息，實現了數據采集的快速化。

②數據讀取能力強。由于實驗室中設備和儀器較多，RFID閱讀器可同時識別和讀取多個設備和儀器，而且可反復讀寫，穿透性強。

③數據信息適應強。由于RFID電子標簽具有防水、耐高溫的特點，具有超強的環境適應性。

RFID技術被廣泛應用于交通系統、生產管理、跟蹤和跟蹤等。如今，RFID已經吸引更多從事行業和學術研究的人在探索。

3.物聯網RFID技術在實驗室管理系統的構建

3.1 系統總體設計

物聯網RFID技術的實驗室管理系統采用三層B/S體系結構[11-12]，并且采用JAVA的編程原理，服務器采用WEB方式進行開發與維護，客戶端通過瀏覽器訪問。系統在開發過程中，采用模塊化結構，有利于各功能的完善與可擴展。

圖1 物聯網RFID技術實驗室管理系統總體結構圖

3.2 系統功能模塊介紹

3.2.1 系統管理模塊

系統管理模塊在整個系統中占據重要地位，主要負責對系統的設置，數據的管理，實驗室管理和用戶管理。系統的設置主要包括對系統的初始化、維護與升級。數據的管理主要指對數據庫的管理。系統在運行過程中需要實時對數據進行備份、更新，有時還需要進行還原。該模塊主要是對數據庫的管理，還包括對系統中用戶的身份授權。

3.2.2 數據管理模塊

該模塊主要是對RFID標簽數據進行管理與維護。主要包括數據庫的管理、用戶登錄管理、數據連接模塊管理以及數據維護管理等子模塊。

3.2.3 設備管理模塊

該模塊是整個管理系統的基礎模塊，它包括設備信息管理、設備使用周期、實驗室房間、大型儀器、設備查詢五個子模塊。不同身份的用戶在登錄時可以進行不同權限的操作。管理員可以通過RFID閱讀器將讀取到的新的設備信息傳到數據庫，進行設備出入庫等操作，而一般用戶可以進行各項查詢操作，包括設備的信息，設備的使用情況，實驗室房間，大型儀器的共享等。其中大型儀器的共享實現了資源的合理使用。

3.2.4 RFID管理模塊

該模塊主要是通過RFID設備對實驗室進行門禁管理、數據管理。RFID低頻讀寫器采用13.56MHz讀寫設備及人員信息，RFID高頻讀寫器采用862-928 MHz批量讀取信息，低頻標簽采用X-RFID，高頻標簽采用XCRT-804，本系統中采用的是915MHZ超高頻電子標簽、DT9020-UHF超高頻中距離RFID閱讀器。本系統采用的RFID電子標簽和讀寫器如圖2所示。

根據RFID讀寫器讀寫功能模塊設計要求，RFID讀寫器采用異步半雙工讀寫數據。本系統設計的RFID讀寫器讀寫數據流程圖如圖3所示。

圖2 RFID電子標簽、讀寫器

圖3 RFID讀寫器數據流程圖

在這個模塊中，以RFID技術為核心，配以紅外線感應和網絡攝像機等設備進行實驗室掃描，避免了傳統攝像機有死角缺點，更安全、更智能化。

3.3 系統分析

使用物聯網RFID技術的實驗室管理系統實現了實驗室24小時不間歇、無死角的監控，真正做到了穩固的安防系統。使用RFID電子標簽，使得設備的地理位置被弱化，更加注重了管理過程中的邏輯關系，這樣通過數據庫的實時更新，可以實時地掌握設備的當前狀態和存放的地理位置，實現了實驗室高效、合理、智能化管理。

4.系統特色與總結

物聯網RFID技術的實驗室管理系統，改變了過去人工操作的管理模式，取代了傳統的條形碼逐條錄入方式，實現了高效、合理、智能化管理。其系統采用了RFID技術，有自己的系統特色。

①數據處理方式更快捷。本系統采用RFID技術進行數據的采集、讀寫，而且可以批量讀寫，反復讀寫，比傳統的手工錄入方式相比，處理更快捷。

②智能化。整個過程中，無需人工干預太多，RFID設備自動識別，自動讀寫，然后將數據傳送到數據庫，一切皆智能化。

③實時監控。采用物聯網RFID技術和紅外感應設備等，實時監控，全方位，不間歇，而且數據傳送同步，真正意義上的實時監控。

本文所構建的物聯網RFID技術的實驗室管理系統，減輕了工作人員的工作強度，簡化了管理流程，實現了管理的高效、合理、智能化。

隨著RFID電子標簽技術的發展，射頻識別的讀寫也面臨著巨大的考驗，如何突破RFID各標簽閱讀時防碰撞也是急需解決的問題。本文所構建的物聯網RFID技術的實驗室管理系統還處于調試階段，有待今后的改進與完善。

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化工化學實驗室屬于開放性場所,人流量大,化學相關物品多且雜,采用人工管理方式具有很大難度。與此同時,實驗室管理人員還需要做好數據保存、調試儀器、統計設備數量以及檢修保養設備等工作。人工管理會受到多方面不確定因素影響,非常容易出現操作失誤等情況,導致管理效率難以提升。而引入物聯網技術,可以實現智能化、數字化管理,提升管理水平的同時,也使得管理人員自身安全以及實驗室內的財物安全得到保障。

1物聯網技術概述

物聯網建立在GPS定位系統、射頻識別技術、紅外感應系統、激光掃描等設備基礎上,利用當中的傳感器,按照相關協議,促使互聯網與實物之間進行連接,從而實現信息之間的互換、交流,為工作人員提供準確的實物定位、有效識別并進行跟蹤,進而實現智能管理的目的[1]。在物聯網技術中,傳感器技術、嵌入式技術是其中最為關鍵的技術。在計算機技術運用過程中,傳感器技術發揮了重要的基礎性作用。目前,傳感器技術已經發展為智能傳感器,可以實現自動診斷、測量多參數,同時,也可以發揮網絡通信等功能。其中射頻識別系統就是該技術的一種,應用該技術可以對物品進行自動識別,在物流運輸管理行業中發揮了重要作用。而嵌入式技術也得到了飛速發展,比如導航系統、數字電視、多媒體終端設備、手機等。

2物聯網技術在化學化工實驗室安全管理中的應用實踐

2.1實驗室物資管理

從傳統化學化工實驗室物品管理方式看,無論是藥品還是耗材,主要是以貼標簽方法為主,利用人工操作的方式,在標簽中記錄相關設備的購買日期、使用、保養等情況,統計化學藥品,同時,為了便于管理,會打印出藥品的清單貼在藥品柜上。此種實驗室管理方式可以較為直觀的看到相關物品情況。但不足之處便是,標簽容易破損,也不容易保存,同時,增加了管理人員的工作量,不利于提升工作效率。對此,可以引入物聯網技術,借助無線射頻技術實現智能化物資管理,在該技術作用下,可以利用電子標簽,記錄對應的化學藥品具體信息,其中包含了藥品使用情況、剩余情況等。在無線射頻系統中,天線是其中最為關鍵的部分,其主要職責就是接收、傳輸信號,經過處理后傳輸到讀寫器中[3]。此外,利用電子標簽的方式,還可以實現動態管理實驗室資產,比如,實驗室設備購入日期、分配調撥以及維修保養等具體信息通過智能化管理,有利于提升化學化工實驗室管理水平、工作效率。同時,也可以實現動態監測,幫助管理人員隨時掌握設備情況,為后續安全管理打好基礎。

2.2實驗室安全管理

2.2.1監測實驗室溫濕度。化學化工實驗室內的物資具有一定的特殊性,當中部分化學藥品還屬于高危物品,所以,對室內環境具有較高的要求,比如服務器、X射線衍射儀、紅外光譜儀等設備,必須滿足一定的通風性。同時,室內濕度、溫度都要達到設備存放標準,主要是因為高溫、濕度環境會嚴重影響其散熱情況,造成儀器損壞[4]。而一些強堿性化學藥品,如果處于高濕度環境中,會因為其吸水性作用,導致重量發生變化,直接影響后續實驗準確性。為解決上述問題,有必要采用物聯網技術,利用遠程監控系統,實時掌握、調節實驗室的溫濕度[5]。基于物聯網技術下的遠程監控系統,包含了溫濕度采集系統、數據處理系統、數據傳輸系統。系統將獲取到的數據,借助路由器,實時傳回到電腦、手機客戶端,給管理人員掌握實驗室環境提供幫助。其中溫濕度采集系統,涉及溫度以及濕度傳感器和不同節點模塊,而后經過溫濕度數據傳輸系統[6],輸送到數據處理系統中,在服務器與戶端之間的數據信息的交互,最終得到溫濕度數據。實驗室管理人員可依托局域網,通過手機隨時查看溫濕度數據,進而實現有效監測,保證實驗室安全[7]。2.2.2實施實驗室火災監測。如果化學化工實驗室不慎出現火災、爆炸等事故,將會嚴重危害到實驗室財物安全、人員安全,導致不可逆的嚴重后果,對周圍環境造成嚴重影響。因此,必須要對實驗室實施火災預警監測[8]。一般情況下,為達到火災預警的目的,會采用安裝煙霧報警器的方法,但對于實驗室無人的情況,此種煙霧報警器并不能較好的起到報警作用[9]。對此,可以引入物聯網技術,監測實驗室火災情況,如果發生火災,會進行聲光報警,同時,管理人員的手機、電腦都會同時收到報警信息,從而及時實施救火。在物聯網技術作用下,系統會將火災報警信息直接發送到就近消防站,以便及時救援,將財產損失、人員傷亡降到最低。依托物聯網技術的新型火災報警器,在火災報警器中融入了GSM模塊或者網絡,一旦監測到實驗室內發生火災,系統的溫度傳感器或者煙霧傳感器,會及時獲得感知,并向火災探測器傳輸數據。經過火災探測器分析后,確定為火災,該系統便會直接發出聲光火災報警,此時,新型火災報警器的控制器會直接向網絡發送火災報警數據,實驗室管理人員手機、消防站進而會接收到具體的火災情報,從而第一時間實施救援,降低火災損失[10]。

篇（6）

2 我國高校實驗室管理的現狀分析

長期以來，大部分高校實驗室都是依靠手工建立臺帳、標簽等措施對實驗設備進行管理，這樣不僅管理效率低下，錯誤頻出，更新困難，而且面對實驗室動態管理要求的不斷增加和計算機軟件管理快捷準確的要求表現出更多的不適應。造成這些問題的主要原因有：

2.1 實驗設備數量多

由于現在高校辦學規模的不斷擴大，實驗室開設實驗項目增多，實驗設備數量增長加快，傳統紙質記錄的實驗室管理方式已經不能滿足現代實驗室管理的要求。

2.2 實驗室管理人員不足

設備的編號與放置位置的對照關系，需要花費管理人員大量的精力和時間；往往由于處理這些事務實驗室設備不能得到及時的監管、維護，造成了一定的資源浪費。

2.3 實驗室使用人數增多，實驗室財產易丟失

目前實驗室的固定資產一般不會丟失，但是一些易耗的物品，往往因為缺乏管理的規范，有時會被一些使用者順手牽羊，實驗室管理人員無法每天定時地清理相關儀器的數量，因而在一定程度上造成了實驗室財產的損失。

2.4 實驗室設備流動性強

隨著現代教育技術的發展，許多實驗設備常用于演示教學，會被借出到不同的教室使用。傳統手工方式的管理不能及時掌握設備流向使得管理人員不能制定合理的分配方案，從而導致不必要的沖突。

3 物聯網技術在高校實驗室信息化管理中的應用

3.1 實驗設備信息化管理

早期的實驗室設備器材的說明書等信息都是紙質品，容易丟失破損，對實驗操作極不方便，一旦紙質標簽丟失或需更新，不僅管理起來不便，而且設備參數信息也難以查詢。通過物聯網技術可以方便查詢相關實驗用品的信息，實驗用品的位置、庫存量、實驗儀器的位置、數量等。物聯網是在互聯網的基礎上對這些信息進行準確無誤跟蹤，實時監控。任何一個安裝有讀寫器的終端都可以通過射頻掃描技術讀取實驗用品的相關信息，并通過互聯網的信息傳輸作用，實現對實驗用品與儀器的信息的實時監控。

3.2 優化實驗教學與管理

利用物聯網技術對計算機實驗室進行管理使實驗室的管理更加智能化，網絡化。在每個實驗室的門口安裝門禁（RFID讀取器），同時每名學生帶有RFID標簽，教師可以通過系統獲取每名學生的出勤情況和學習內容等監控信息；通過各種數據采集終端獲取數據，監控教師上課的全部信息，并根據獲取的數據系統進行全方位分析和檢測，評定其教學質量及優缺點，以求改進不足；學生課堂學習的過程可以被物聯網全程記錄。如果學生在上機操作過程中，學生對某個知識點掌握不好，可以通過記錄的學習過程再次學習，彌補學習中的漏洞。

3.3 實現資源共享

我國教育系統雖然有聯通各高校的鏈接路徑，但高校之間的信息流通量很少。基于物聯網的校園網一旦建成，各高校之間的可共享的資源將會非常豐富，能夠大大方便相互交流與學習。首先是實驗室硬件資源可以通過傳感器網和互聯網共享，并可以遠程控制部分實驗設備，在線分析與檢測實驗數據。既可以節省昂貴的實驗器材和設備的購買費用，而且便于在線交流實驗的方法和經驗。

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中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 16-0107-01

2010年2月，教育部辦公廳向各省、自治區、直轄市教育廳（?教委），部屬各高等學校下發了《關于戰略性新興相關專業申報和審批工作的通知》[1]。通知中強調要在現有國情教育中加大物聯網人才培養力度，對高校支持并鼓勵從課程教學的各個環節中入手包括課堂理論、教學手段、管理方法等去培養戰略性人才。我國高職院校的物聯網專業目前正處于發展初期。物聯網專業課程體系尚不完備，缺少專業的教師。教材的選取更是余地很小。在實驗室的建立問題上更是迫在眉睫。基于這樣的一系列問題，本文根據筆者作為從事物聯網專業教學的教師，對高職院校目前在物聯網專業實驗室的建設方面進行一些分析。

一、物聯網專業在我校的人才培養目標定位

我校是建筑相關專業為主，故此物聯網專業范圍的定位也以建筑物智能化物聯體系為主。培養具有智能樓宇建筑物聯網的設計、施工調試、概預算及信息平臺的系統集成與管理等方面的知識和能力，能在智能樓宇建筑物聯網的建設應用中從事設計、施工調試、概預算、系統維護和信息化管理等方面的工作的崗位負責人和高級技能型技術人才。目前采用工學結合校企合作“2+1”人才培養模式，校內學習兩年，最后一年到企業頂崗實習；實行準就業制度，實習企業對綜合考核合格的實習學生直接簽訂就業協議；專業課程設置緊密貼近職業崗位需求，用什么就教什么；教學方法突出對學生職業技能的訓練，多采用現場教學，利用真實或仿真的學習環境，培養學生的動手實踐能力；具備進行智能建筑物聯網系統的設計及設備維護、運行與管理的能力；實行“多證”教學，學生在校期間，通過相關培訓和考核，可獲得新樓宇管理師、造價員、質檢員、安全員、內業資料員等物聯網相關職業技能證書。為物聯網專業人才奠定的扎實的理論與實踐基礎。

二、物聯網實訓室的建立

三、物聯網實訓室未來發展構想

根據我校現有物聯網已有資源及相關專業實訓室的共同構成，在今后的發展方向上可以充分發展幾個方面。第一，在現有資源的充分利用之上再積極自主研發相關實訓設備、節能減排、降低教學成本，為學校減負。第二，引入其他相關專業（比如計算機專業的）教師共同參與軟件研發，研制符合我校的教學模式在物聯網實訓中的軟件。第三采用學校主導方向，邀請企業共建的模式全程合作。這樣可以在教學中充分共享物聯網相關信息技術企業的最新資源，定期邀請企業專家來校輔導講座；同時還可以為企業訂單培養人才，加快物聯網專業的發展。

四、結束語

目前各大高校都在積極的探索物聯網專業的開展，在我們高職院校中物聯網的開展更應該是注重實踐，在實訓室的建立上更應該是增強學生的動手能力為主。讓學生在實踐中真正能夠得到鍛煉。

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把物聯網用于實驗室管理可以以物聯網三層結構為基礎進行分析研究。感知層相當于實驗室管理工作的獲取信息的手段或者設備，如：射頻識別RFID標簽、掃描槍以及條形碼。網絡層是一種支撐平臺，它用于支撐實驗管理室的智能化與信息化。應用層則用于實現管理實驗室的計算機智能化與信息化，實現實驗室的軟硬件資源共享與優化配置，并且提供物理信息融合系統、云計算與物聯網應用開發服務平臺。在物聯網的三層結構基礎上，把實驗室管理與物聯網結合在一起的過程中還存在許多的困難與障礙。只有明確這些要面臨的問題，并且能合理改善現有的資源去克服問題，才能更有效的為以物聯網為基礎的實驗室管理模式提供便捷。

實驗室對設備管理的軟硬件系統不夠完善。如存在機房管理員對機房設備管理不智能；機房設備丟失后無法找回；計算機損壞后維護不方便；機房的安全管理等問題。

資源共享機制比較薄弱。實驗室的服務對象單一，大部分只是針對專業學生、老師。而且實驗室時間不靈活，利用率低。

實驗室管理中對教學方面的管理較薄弱。如：對教師和學生不到或者遲到的監控；對機房環境監控 ；對機房管理員的管理。以及學生在聽課過程中出現了遺漏，無法補上，導致學習效果難以提升。

二、進行以物聯網為基礎的計算機實驗室管理方案

把物聯網三層結構作為出發點，并以計算機實驗室所構建的組織結構為基礎，實現基于物聯網背景的計算機實驗室管理系統。從實驗室實際管理工作中所遇到的問題出發，主要從實驗設備管理以及實驗教學管理兩個方面分析如何依靠物聯網技術順利解決問題，進行以物聯網為基礎的計算機實驗室管理。

實驗設備管理

（1）資產管理。對實驗室資產管理主要包括設備申購、設備報廢、設備的遺失處理和設備的資產核查等多個方面的工作。

設備申購主要指的是購置機房所需設備，比方說服務器、學生機、指紋機等，需要通過招標購置。在申購成功之后，通過RFID標簽或者是條形碼進行標識，把設備的廠家/型號、采購日期和維修記錄的等級這些信息上傳到實驗室的管理系統當中。

設備報廢指的是在設備使用時間達到其最大壽命期限后，在設備處做出報廢確認之后，對RFID標簽或者是條形碼進行清除，且在設備管理系統當中把設備狀態修改為報廢，然后把報廢設備交給設備處進行處理。

設備遺失指的是設備被盜或者是丟失，在保衛處或者是設備處做出核實之后，進行設備遺失的處理工作，且在設備管理系統中把設備狀態修改為遺失。

資產核查指的是在每個學期開始至結束時對設備資產進行統計，保證設備的物理存在同管理系統中數據記錄是一致的。

（2）維護管理。對實驗室的設備進行維護管理作為計算機實驗室全部工作中的重點所在，其工作質量的好壞能夠直接影響到實驗室進行教學的實際效果。在進行設備維護時，要爭取第一時間發現問題所在，并在最短的時間內徹底解決問題，以此來保證計算機實驗室能夠順利的展開教學工作。維護管理工作主要包括保修、維修以及維護這三個部分，其全部過程都會完整的保存在設備管理系統當中。

報修：可以對獨立設備安裝嵌入式傳感器，在設備出現故障時，實驗室管理系統中的管理員帳戶中能查看到故障設備的位置，這樣可以避免教師或者是學生進行設備報修登記不及時的情況。

維修：在實驗室管理工作人員接收到設備故障的通知后，及時進行設備維修工作，如果沒有及時解決故障，可以通過短信平臺同設備公司的售后服務人員取得聯系并進行設備維修工作。在設備維修完成之后，還要對設備狀態做出修改，撤銷故障警報。

維護：通過實驗室工作人員對設備軟硬件與實驗室中設備進行定期的抽檢與維護。

（3）安全管理。為保證實驗室內設備的安全，每個實驗室需配備有實時地視頻監控、紅外線報警裝置以及門禁系統等多種安全設備。對于機房設備防盜管理，可以通過無線遠程視頻監控系統來維護，它需要把獨立的設備安裝電子標簽，電子標簽會將設備的信息與位置發送給管理端，從而實現對設備不間斷監管。而對于設備軟件系統，則需要通過專業的殺毒軟件、硬盤保護卡以及防火墻等技術措施保障系統的安全性。還可以安裝無線溫濕度傳感器和煙感器來監管實驗室的環境，及時發現如火災等情況。

（4）共享管理。

進行設備共享管理指的是在沒有進行教學行為的時間內提供給非教學活動以場所及設備，重視實驗室中設備的網上共享與，主動需找同其他企業與高校之間的交流機會，使設備的經濟效益與利用率得到提高。

共享管理主要包括在非教學時間段設備與實驗室有償租借。實驗租借主要指對外租借計算機機房，滿足租借方在實驗教學之外的任務，比方說企業培訓、上機考試或者是學生培訓等。設備租借一般是指實驗室殊設備的對外租借，比方說網絡測試儀以及服務器等等。對于設備租借的管理，都需要記錄在實驗室管理系統當中，保證設備的安全性。

2. 實驗教學管理

（1）課表管理。實驗室管理員能通過實驗室的管理系統查詢到所管理教室的課表，從而能實時關注教學過程中出現的實驗室管理方面的問題。

（2）教學管理。通過教學管理的具體對象進行區分，主要包括課程管理、教師管理和學生管理三個部分。

課程管理：從實驗教學的具體計劃出發，教師把制定好的實驗教學計劃進程表、報告模板和教學大綱等相關材料提交到實驗室的管理系統上，以此進行教學資料庫的建設。還可以安裝wifi攝像頭，對教師當堂課教學進行錄像，課程教學完畢后將視頻傳送到實驗室管理系統中，方便學生重復聽課。

學生管理：可以通安裝指紋考勤機來記錄學生遲到和缺課。還要利用實驗室的管理系統，為學生提供登錄賬戶，通過此賬戶登錄管理系統之后，可以詳細查看實驗課程的安排情況、進行作業的提交、實驗成績的查詢，還可以向老師提出疑難問題、對老師進行評價等。

教師管理：教師也可要通過指紋考勤機來實現考勤管理。并利用實驗室管理系統建立帳戶，教師能查看到課學生名單和進行實驗作業的批改工作、對學生提交的實驗報告進行查詢、解答學生提出的疑難問題以及進行學生實驗成績的提交等，使教師能夠方便的對學生具體實驗課程內容進行管理。

總結

本文以物聯網具備的三層結構為基礎，分析探討了在物聯網背景下可以對實驗室室管理工作進行的改進與優化，研究了計算機實驗室實施教學管理與設備管理的新方法與新思路，創新了物聯網實驗室硬件管理支撐平臺和軟件支撐系統管理結構，優化出以物聯網為基礎的實驗室室管理模式。期望在計算機實驗室進行管理的過程中能夠切實利用所有資源，使實驗室成為支撐教學與科研的有力平臺。

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中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）14-0213-01

實驗教學是高校教學中的重要環節，隨著計算機的普及和多領域的應用，高校對實驗室計算機等資源的大量增置，實驗室擁有的更大的規模和更多的軟、硬件。為了適應高校的發展和教學要求，應該加強實驗室的信息化建設與管理，從而減少過多的維護和管理成本[1]。

一、背景與概念

實驗室管理系統（Laboratory Information Management System，LIMS）是指通過計算機技術、信息技術和網絡技術對實驗室的各種資源和信息進行科學化管理的一種計算機軟、硬件系統[2]。隨著網絡技術的發展，實驗室管理信息系統已經從最初針對單個用戶設計的簡單的終端/主機結構以及客戶機/服務器結構逐步發展到現在的基于統一瀏覽器界和以WEB 服務器為中心的分布式管理系統[3]。

物聯網則是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段（Internet of things IOT）[4]。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮[5]。

本文提出一種利用物聯網技術提升實驗室信息管理的智能性與科學化的方法，基于現有管理系統進行增加接口和部分硬件，實現了實驗室軟件和硬件物與物相連并進行統籌管理。

二、系統框架

利用J2EE技術的實驗室管理系統能夠有效繼承傳統的實驗室管理技術[2]，同時基于 B/S 模式開發，能夠支撐和具備強大的功能性、可擴展性以及維護性，可以更好地解決實驗室存在的各種矛盾和問題。通過結合計算機硬件技術、計算機軟件技術、計算機網絡技術、數據庫技術和相應的高校管理體系，相應的信息系統能夠更加科學和智能化。

SSH（Struts2、Spring、Hibernate）的框架[6]實現了前端視圖、中間層控制器與后端模型的徹底分離，而且也實現了業務邏輯層與持久層的分離，通過這樣的方式實現系統，使得不同模型不同層次之間的耦合度較低，模塊內部之間內聚性較高，即使前端應用發生了變化，模型也只需要較小的改動就能夠適應新的需求，同時數據庫的變化也只是在后臺操作，不會對前端的應用產生影響，大大提高程序的可復用性以及程序的開發效率。

引入物聯網系統的實驗室管理系統應能繼承原有系統，同時支持與物聯網設備（傳感器等）進行交互。

三、系統設計

當前互聯網的逐步發展，采用B/S架構會更加通用，能夠支持所有操作系統PC訪問，同時也能夠支持簡單的移動終端進行交互。

系統包括應用服務器、傳感器網關、傳感器節點等組成。主要系統設計圖如圖1所示：

其中GW為傳感器網關，其網絡框架圖如圖2所示。節點分為具有路由功能的節點（Router）、沒有路由功能的節點（End Device）和匯聚節點（Sink），每個節點都可搭載多個傳感器或控制器或者。不搭載傳感器或去控制器。傳感器和控制器之間存在N：N的綁定關系。每個Zigbee網絡中只有一個匯聚節點，Zigbee網絡之間并不通訊。網關設備（Gateway）是連接匯聚節點和服務器的設備，一個網關設備可以同時管理多個Sink節點，服務器可管理多個網關設備。

網關與應用服務器之間通信報文定義如下：

每條消息都由上述四個部分組成，其中消息頭、地址域和消息校驗字節為固定長度，消息體根據承載的不同數據，長度可變。

四、系統實現

根據系統框架與設計，完成數據的采集與展示，同時根據專家算法對實驗室當前的狀態進行評估給出建議決策。

其中可以通過RFID、溫濕度、人體感應一系列傳感器，從而如圖4所示自動收集實驗室信息和對應數據，從而形成實驗室數據倉庫，通過提供算法接口，邀請專家增加算法的形式，定期對數據進行分析，從而形成階段性評估。

普通的實驗室硬件和軟件亦可通過二維碼和人工錄入等形式對硬件進行一一標識，如圖5所示針對硬件問題和硬件使用申請通過模板提交對應的處理即可完成。

五、 結語

物聯網化的實驗室管理信息系統能夠更好將實驗室的物理硬件和重要軟件進行合理劃分與調度，從而實現科學管理。同時通過傳感器的數據采集，能夠對實驗室的環境進行管理，從而使得實驗室的利用更加科學化，有效提升實驗教學的質量。

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[3] 劉民，李昕鐘，鐘偉和.高校開放實驗室信息管理系統[J].遼寧工學院學報，2006，26 （1）：17～19

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為了適用開放式實驗教學，很多高校都開放物理實驗室，早期采用人工進行實驗室開放，或采用單機版的管理軟件進行開放管理，這些管理方式存在工作煩瑣，效率低下等弊端。例如，學生不能及時了解開放性實驗內容以及實驗時間的信息；學生必須到實驗室去預約，由實驗室教師登記等。近年來，隨著網絡信息技術的發展，針對開放實驗室智能化管理需求，從不同角度出發，也提出了許多開放實驗室信息管理系統方案，如機房自動管理系統等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設備管理、實驗項目管理、預約管理、系統管理、統計報表等方面，不同程度實現了實驗室的信息化管理，盡管如此，但除了計算機機房以外，其它開放普通實驗室，由于沒有計算機及網絡設備，大多存在自動化管理程度不高的問題。針對這種情況，我們將物聯網技術應用于開放實驗室的管理，利用門禁、觸屏派位、視頻監控、平板電腦終端、設備控制器與智能電源插座等，結合基于B/S結構的開放式實驗室web管理系統軟件，實現了物理實驗室全天候安全開放，提高了開放實驗室的智能化管理水平。

1物聯網技術

物聯網是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，獲取各種應用需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。物聯網的體系架構由感知層、網絡層和應用層組成。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，它的主要作用是識別物體、采集信息。網絡層主要作用是進行信息和數據的傳輸，主要利用現有的比較成熟的計算機網絡技術及移動通信技術。應用層主要作用是將感知層采集到的信息和數據進行分析處理，在實際的環境中進行應用，是物聯網和用戶（人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求相結合，實現物聯網的智能應用，如智能電網、智能交通、智能醫療等應用。硬件系統主要集中在感知層和網絡層、軟件系統主要集中在應用層，其中可能用到一些中間件技術、系統集成技術等。從物聯網的體系架構可看出，物聯網從感知信息，傳輸信息，到處理應用信息用到了若干技術，也涉及到許多硬件和軟件，物聯網是一個綜合性的概念和提法。

2硬件建設

基于物聯網技術的開放式物理實驗室管理系統硬件支撐平臺如圖1所示。其中，開放式物理實驗室系統的服務器是根基，所有的硬件連接和很多軟件系統都集中在這個服務器上，服務器接入校園網。視頻監控系統、門禁系統、短信貓和觸屏派位系統直接與服務器連接，平板電腦終端通過校園無線網絡與服務器連接，所有的數據存儲在磁盤陣列中。實驗室中的各個設備的電源通過電源控制器經過集線器、轉換器與觸摸屏的串口連接。硬件建設首先要對原有實驗室基礎設施（主要為強電、弱電、網絡改造）進行基本改造，然后增加監控、門禁、物聯網終端等硬件設備，整合原有教學系統軟件，進行軟硬件系統集成。具體建設內容有：（1）基礎設施改造：對實驗室進行弱電、網絡改造。要在門、實驗臺、監控點布設弱電及網絡線路，為開放式實驗室的建設提供基本的網絡環境。（2）可視對講監控系統：在實驗室安裝監控攝像頭和對講終端。同時建設對講監控服務設備，包含網絡硬盤錄像機、交換機、監控專用硬盤，保障監控系統的高效、安全、穩定運行。（3）門禁：在實驗室和樓層的走廊端安裝門禁。（4）觸控派位機：安裝觸控派位機。在實驗樓每層的走廊口安裝一臺派位機，配合開放式實驗室web管理系統軟件用于學生刷卡、信息查詢等。（5）觸控控制器：安裝觸控控制器。每臺觸控派位機配置1臺觸控控制器，用于觸控派位機與設備控制器的通信。（6）設備運行控制器：安裝設備運行控制器。每個實驗臺配置1臺設備控制器，作為開放式實驗室管理系統的物聯網控制終端，用于實驗臺電源遠程控制、數據傳輸。（7）短信貓：配置1臺短信貓，安裝在服務器上。用于開放式實驗室預警信息、提示信息等。（8）PAD客戶端：建設pad客戶端。Pad客戶端的建設將實現整個開放式實驗室管理系統跨平臺使用，支持移動終端服務。使學生、教師能隨時隨地，方便快捷的使用系統。

3軟件系統組成

基于物聯網技術的開放式物理實驗室管理軟件平臺由實驗室WEB管理系統、觸摸屏系統、視頻監控系統和平板電腦系統組成。WEB管理系統是開放式實驗室管理軟件系統的重要組成部分，是整個系統的基礎。結合實驗室開放實際需要，具有各種功能，包括：學生預約實驗、實驗室拓撲管理、預約信息管理、通知公告管理、預約規則管理、校園卡掛失管理、數據統計。本系統采用物聯網技術，通過刷卡啟動電源控制器控制實驗臺電源從而達到開放使用的目的。系統細化各項管理，進一步提高了實驗教學的開放性和交互性；為學生提供了一個自主的學習環境，為教師的開放教學提供了有力的基礎支持；為提高實驗儀器設備的利用率提供了更安全和便捷的保障。觸摸屏系統又稱為“電源控制子系統”，是開放式實驗室管理軟件系統的核心組成部分。開放式實驗室管理面臨的重大挑戰是安全的問題，這其中首當其沖的就是用電的安全。通過電源控制子系統的學生座位電源控制模塊實現對學生用電的管理，是保證開放式實驗室安全的重要手段。電源控制子系統是通過管理柜員機（觸摸屏）和座位電源控制單元等硬件設施，實現實驗室座位的電源管理。觸控系統配置微型攝像頭，實現學生派位時照相功能，可有效的防止學生替代刷卡派位的現象發生。大屏幕觸控顯示屏可高清晰的顯示學生的彩色照片。整個電源控制系統主要面向兩個角色：學生和教師（管理員）。學生通過所持校園卡，請求使用實驗室座位，系統根據教師（管理員）定義的規則（排位規則），為學生分配座位，并自動啟動電源。在完成實驗后，通過刷卡關閉相應的電源。教師（管理員）用戶通過系統登錄，在權限允許的條件下，遠程單獨或批量控制實驗室所有電源。教師通過視頻監控系統可在遠端查看實驗室情況，了解就位學生的信息，通過視頻觀察學生實驗狀態與視頻答疑。學生通過座位對講實時與教師就實驗問題進行討論。平板電腦系統是一套給實驗室管理者使用的便捷的APP客戶端系統（PAD），旨在提高開放式系統的使用便捷性，使管理層工作效率更加高效，從而更好的為本單位的開放實驗教學服務。平板電腦系統最重要的是統計功能。很多學校每年都要進行一次實驗室自評工作，工作量較大而且數據無依據，很多數據都是臨時“造”出來的。此統計功能可以根據實驗室或設備在過去一年或多年的使用記錄自動匯總成統計報表，省時省力且數據真實。

4建設取得的成效

我校從2013年開始進行開放式物理實驗教學改革和配套實驗室的建設，目前實驗室實現了全天候開放、遠程控制和智能化管理，學生通過網上預約，刷卡（支持校園卡）進入實驗室，在派位成功的實驗臺實驗。基于物聯網技術的開放式實驗室建設已取得了一些成效，如：（1）全面開放實驗教學資源，提高實驗室、實驗儀器的利用率；（2）打破上課開門、下課關門的模式，為學生提供開放式教學服務，給學生提供自主學習環境；（3）保障實驗室安全的同時，提高教學質量；（4）提高實驗室管理水平，為領導進行實驗室建設規劃時提供真實數據作為決策依據。

作者:吳 萍 高興茹 單位:北京聯合大學基礎部

【參考文獻】

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目前高校實驗室多采用封閉式管理模式，各院系獨立建設、管理本學科的實驗室。實驗室過于分散，管理工作繁瑣，實驗設備和物品的儲存、維護、安全得不到保障。各實驗室之間缺少資源共享、信息互通，既不利于學生進行綜合設計型實驗，也不利于科研協作和學科滲透，阻礙了學生創新能力的培養。為此，本文設計了一種基于物聯網的高校智能化實驗室管理系統。

2 物聯網技術概述

從“智慧地球”理念到“感知中國”概念的提出，隨著全球一體化、工業自動化和信息化進程的不斷深入，物聯網時代悄然來臨[1]。物聯網（Internet of Things）是通過運用射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。通俗地說，物聯網就是物物相連的互聯網。

目前，物聯網的關鍵技術主要有射頻識別技術、傳感器技術、ZigBee技術等。

RFID（Radio Frequency Identifaction）即射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。RFID系統由讀寫器、電子標簽和天線組成。讀寫器包括固定式讀寫器與手持式閱讀器。

ZigBee技術是一種新興的低功耗、低成本、高容錯性的短距離通信技術。

3 基于物聯網的智能化實驗室管理系統的設計

3.1 系統整體設計方案

該系統是一個無線傳感網絡。硬件方面，預先在每間實驗室安裝門禁控制器、ZigBee無線節點、溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器。每件實驗設備、物品，實物實驗報告、作業貼有RFID標簽。每個實驗操作平臺配備手持閱讀器。軟件方面，需要在物聯網的終端安裝管理系統的軟件。

3.2 系統各模塊功能

該系統由七大功能模塊組成。

3.2.1 管理員登錄

該系統軟件只允許管理員登錄后才能使用，如果不是管理員則需要先注冊。

3.2.2 網絡管理

實現網絡連接狀態的查看和設置。

3.2.3 使用人員管理

所有人員必須使用身份卡進出實驗室，門禁控制器利用射頻識別技術識別進出實驗室的人員身份，數據庫里能夠檢測到的人員能夠直接進入實驗，而臨時人員需要進行系統登記后才能進入。

3.2.4 實驗室設置

遠程控制ZigBee無線節點，對實驗室的基本信息進行日常管理，顯示實驗室的動態使用狀況。為了能給學生提供寬松的實驗條件，通過開放實驗室，學生能夠預約課余時間來做實驗。如圖1所示，根據開放日期，查看學生提交的預約申請。

3.2.5 實驗教學管理

（1）教師和學生考勤管理。當教師、學生進入實驗室，門禁控制器識別身份卡，將進入、離開的時間記錄在軟件上，實現教師、學生的自動考勤。

（2）實驗項目管理。為了規范實驗教學內容，需要教師預先錄入每門實驗課程的教學計劃、實驗大綱、多媒體教案、基礎實驗項目、綜合實訓項目、操作規程以及實驗示例等教學資源。學生隨時可以下載相關教學資源進行閱讀和操作練習，有助于提高學生自主學習的能力。

（3）實驗過程實時監控。對所有實驗室設備、物品的狀況進行監控，比如實驗過程中，哪些設備能正常使用，哪些發生故障。同時還可監控學生的實驗過程，及時發現學生學習中存在的問題，教師進行集中講解，提高學習效率。

（4）實驗作業和成績管理。實驗完成后學生可以通過該RFID技術將實物實驗報告、作業或實驗結果上傳到系統進行儲存，便于管理員、教師批改作業、統計分析學生實驗成績，當課程結束時學生能夠查看自己每次的作業成績，以及該門課程的總評成績。

（5）交流討論。實驗前，教師可以通過該模塊向學生實驗管理規章制度，布置實驗任務，與學生進行實驗方法的討論，增加學生與教師、學生之間的互動。

3.2.6 實驗設備和物品管理

每件實驗設備、物品貼的標簽上載有對應的編號、名稱、狀態、購置日期、維修記錄等信息，實現了信息智能儲存功能。使用人員通過手持閱讀器識別領用的設備、物品上標簽，將它們的基本信息反饋到如圖3所示的界面上，有利于實驗人員提前了解設備、物品的基本資料，還可以對它們進行定位、跟蹤，顯示使用人員身份，有效地監管了實驗設備、物品的使用狀態，防止有人將它們任意拿出實驗室。另外RFID標簽還能實現相同或不同實驗室的設備、物品間進行通信，高效地利用了資源。

3.2.7 環境監測