基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管控平臺(tái)的探究

引 言

隨著計(jì)算機(jī)信息化和教育數(shù)字化的實(shí)施，各高校都組建了現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室，以滿足日益增長(zhǎng)的教學(xué)要求，同時(shí)也盡量滿足學(xué)生在課余時(shí)間自由上機(jī)的需求。軍校實(shí)驗(yàn)室是我軍高校進(jìn)行科研和教學(xué)最重要的場(chǎng)所，其作為院校中三大支柱之一， 在新型軍事人才的培養(yǎng)等方面起著無(wú)可替代的作用。因此，實(shí)驗(yàn)室的管理水平會(huì)直接影響高素質(zhì)新型軍事人才的培養(yǎng)。

我校近年來(lái)對(duì)在線教學(xué)模式進(jìn)行了大力推廣，以期對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行深化改革。隨著在線教學(xué)平臺(tái)的逐步完善和校園網(wǎng)上教學(xué)資源的逐步豐富，學(xué)員在課余時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室擁有大量的優(yōu)質(zhì)計(jì)算機(jī)資源和順暢的軍網(wǎng)接入環(huán)境，為學(xué)員自主學(xué)習(xí)和SPOC在線教學(xué)等提供了保障。隨著在線教學(xué)的深入推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室的日常開(kāi)放日益成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中極為重要的部分。由于人手不足、日常教學(xué)保障任務(wù)繁重等原因，目前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放（特別是晚間和周末的開(kāi)放）力度不夠，因此，以往以人工方式預(yù)約和管理為主的手段已無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的需求。為了從根本上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的智能化、自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化，將目前日趨成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入并應(yīng)用到其中是最佳選擇。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過(guò)紅外線傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、激光掃描器、定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議把物品和網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換以及通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化跟蹤、識(shí)別、監(jiān)控、定位與管理的一種物物相連網(wǎng)絡(luò)[1]。物理網(wǎng)的出現(xiàn)打破了數(shù)據(jù)管理和物理設(shè)施間相互獨(dú)立的模式，為實(shí)驗(yàn)室管理提供了新的方法和視角，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在高校實(shí)驗(yàn)室的管理中，應(yīng)用較為廣泛的是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)中的RFID 技術(shù)。例如，麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室利用EPC Gen2 無(wú)源 RFID 標(biāo)簽來(lái)管理和追蹤上千份文件 [2]，在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)室文件的管理效率。而針對(duì)實(shí)驗(yàn)室智能化管理的需求，不少高校從不同角度出發(fā)，提出了許多實(shí)驗(yàn)室信息管理的解決方案，如機(jī)房自動(dòng)管理系統(tǒng)、分級(jí)管理開(kāi)放型機(jī)房、基于IC 卡的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)等。但是在軍隊(duì)院校中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用依然十分有限，就目前軍隊(duì)院校中實(shí)驗(yàn)室的管理現(xiàn)狀來(lái)講，基本還局限于某一領(lǐng)域的技術(shù)或設(shè)備的簡(jiǎn)單橫向擴(kuò)展，尚未注重實(shí)現(xiàn)更加緊密的縱向聯(lián)系[3]。為此，理學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室對(duì)此進(jìn)行了逐步的研究和探索，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管控平臺(tái)的建設(shè)方案，取得了一些初步的成果。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管控平臺(tái)

本文就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軍校實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用這個(gè)課題進(jìn)行探索性分析，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)于實(shí)驗(yàn)室管控平臺(tái)的初步解決方案，包括硬件系統(tǒng)、架構(gòu)和軟件系統(tǒng)三部分， 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

借助于遠(yuǎn)端 PC 微機(jī)，可通過(guò) 軍網(wǎng) 連接實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的服務(wù)器，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。而物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線設(shè)備接入點(diǎn)則共同組成 無(wú)線傳感網(wǎng) ，從而完成 RFID 數(shù)據(jù)和傳感器的無(wú)線傳輸，感知實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。ZigBee 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了 無(wú)線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)之間的互聯(lián)，是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù)，其底層的技術(shù)基于IEEE 802.15.4。相比于WLAN 和藍(lán)牙具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，并能方便地實(shí)現(xiàn) Mesh 網(wǎng)絡(luò)[4]。數(shù)據(jù)匯集到鏈接主接入點(diǎn)的PC 機(jī)，然后由實(shí)驗(yàn)室的管理軟件來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)功能。RFID 標(biāo)簽是設(shè)備身份標(biāo)簽，用于標(biāo)示實(shí)驗(yàn)器材和資產(chǎn)的身份。

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括RFID 讀寫(xiě)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、無(wú)線設(shè)備接入點(diǎn)以及中控平臺(tái)等。

RFID 讀寫(xiě)系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器及天線三部分構(gòu)成，是一種應(yīng)用在信息采集系統(tǒng)中的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)， 可工作在各種惡劣環(huán)境中，以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)中的物體，還可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，進(jìn)而快速實(shí)現(xiàn)物體的管理和追蹤，擁有可靠性高、保密性強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn)[2-5]。

RFID 標(biāo)簽用來(lái)標(biāo)示設(shè)備身份，選用可以固定在設(shè)備或?qū)嶒?yàn)器材上的電子標(biāo)簽，每個(gè)電子標(biāo)簽的電子編碼是唯一的[6]。讀寫(xiě)器分為手持式設(shè)備和固定設(shè)備，可用于標(biāo)簽內(nèi)信息和數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與識(shí)讀。當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)閱讀區(qū)域時(shí)，電子標(biāo)簽?zāi)塬@得讀寫(xiě)器通過(guò)天線發(fā)出的射頻信號(hào)，借助感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中物體的信息，在讀寫(xiě)器讀取信號(hào)并進(jìn)行解碼處理后，發(fā)送到中央處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 用戶服務(wù)系統(tǒng)

用戶服務(wù)系統(tǒng)作為整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分以及整個(gè)系統(tǒng)的入口，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，并在場(chǎng)地信息、資產(chǎn)管理、開(kāi)放預(yù)約、公共服務(wù)、集中管控各子系統(tǒng)之間，以及與其他教務(wù)管理的子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、交換、共享，將實(shí)驗(yàn)室中各子系統(tǒng)所采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析并進(jìn)行反饋。實(shí)驗(yàn)室管理員通過(guò)用戶服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、教學(xué)情況等信息。

2.2.2 資產(chǎn)管理系統(tǒng)

此系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)室管理可對(duì)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行調(diào)動(dòng)申請(qǐng)、信息更新、定位跟蹤、資產(chǎn)維修等操作，同時(shí)資產(chǎn)可以自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行入庫(kù)管理，并實(shí)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)。針對(duì)資產(chǎn)管理， 以管理員置于儀器設(shè)備上的RFID 電子標(biāo)簽作為信息采集和器材識(shí)別的技術(shù)紐帶，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室出入口讀寫(xiě)器對(duì)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)器材自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而實(shí)時(shí)掌握儀器設(shè)備的詳細(xì)信息，在添置新的儀器設(shè)備時(shí)還可使用手持機(jī)進(jìn)行手動(dòng)盤(pán)點(diǎn)入庫(kù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的入庫(kù)出庫(kù)流程如圖 2 所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K都貼有 RFID 的設(shè)備標(biāo)簽，軟件系統(tǒng)可以將每個(gè)設(shè)備的ID 和實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)、類型以及箱內(nèi)模塊的型號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以確保設(shè)備的有序管理。

2.2.3 集中管控系統(tǒng)

集中管控系統(tǒng)包括智能門(mén)禁控制、智能電源管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及智能環(huán)境監(jiān)測(cè)。

門(mén)禁控制部分可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)刷卡開(kāi)門(mén)或PC 機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)。另外，如果上課時(shí)間已到，實(shí)驗(yàn)室門(mén)未打開(kāi)，系統(tǒng)會(huì)向?qū)嶒?yàn)室管理員發(fā)送開(kāi)門(mén)提醒，以保證課程正常進(jìn)行。通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)刷卡記錄可檢查教師的考勤，防止早退和遲到現(xiàn)象發(fā)生。

智能電源管理部分主要是電源開(kāi)關(guān)控制，包括教室燈、窗簾、幕布以及空調(diào)的電源開(kāi)關(guān)?？蓪?duì)教室的所有情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供視頻服務(wù)接口，與教務(wù)管理系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息同步共享。

智能環(huán)境監(jiān)測(cè)是集中管控系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制，主要包括執(zhí)行單元和傳感單元兩大部分。傳感單元主要用于感知環(huán)境參數(shù)，包括濕度、溫度、水浸、光照、煙霧和人體紅外等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。執(zhí)行單元?jiǎng)t主要用于控制實(shí)驗(yàn)室的相應(yīng)設(shè)備動(dòng)作， 包括電源窗簾控制、空調(diào)遙控控制、煙霧告警控制和水浸告警控制四個(gè)部分。該應(yīng)用流程如圖 3所示。

實(shí)驗(yàn)室配備的多種傳感器分布在房間的各個(gè)位置，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，中央處理器和采集控制中心協(xié)同在第一時(shí)間啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，并關(guān)閉具有危險(xiǎn)的電力系統(tǒng)，將險(xiǎn)情控制在第一時(shí)間。同時(shí)將實(shí)時(shí)信息反饋到實(shí)驗(yàn)室管理員的實(shí)時(shí)通信設(shè)備上。

2.2.4 開(kāi)放預(yù)約系統(tǒng)

我校近年來(lái)對(duì)在線教學(xué)模式進(jìn)行了大力推廣，實(shí)驗(yàn)室擁有大量?jī)?yōu)質(zhì)計(jì)算機(jī)資源、配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和順暢的軍網(wǎng)接入環(huán)境，為學(xué)院自主學(xué)習(xí)提供保障。隨著在線教學(xué)的深入，已打破實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的人工管理模式，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放主要依賴于開(kāi)放預(yù)約系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有開(kāi)放和預(yù)約兩大功能模塊。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放主要由權(quán)限級(jí)別較高的管理員進(jìn)行操作，包括課表化開(kāi)放和自由開(kāi)放兩種模式，課表化開(kāi)放根據(jù)每學(xué)期學(xué)校下發(fā)的課表進(jìn)行定時(shí)開(kāi)放，預(yù)留課表更新功能，來(lái)應(yīng)對(duì)教學(xué)任務(wù)的變動(dòng)，該模式極大地節(jié)省了人工和管理成本，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室上課無(wú)人化管理。而自由開(kāi)放則由管理員根據(jù)教學(xué)需要自定義開(kāi)放規(guī)則進(jìn)行開(kāi)放，相比課表化開(kāi)放，該模式主要用于滿足學(xué)員課下自主學(xué)習(xí)的需要，使學(xué)員的學(xué)習(xí)時(shí)間不再拘泥于課時(shí)。

預(yù)約功能主要有兩種模式，包括實(shí)驗(yàn)室預(yù)約和工位預(yù)約。實(shí)驗(yàn)室預(yù)約主要針對(duì)教師群體，滿足教師臨時(shí)調(diào)課或補(bǔ)課的需要，教師只需在該系統(tǒng)上預(yù)約滿足教學(xué)需要、相應(yīng)時(shí)間段空閑且開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室，待管理員通過(guò)審批，就可使用該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)。工位預(yù)約對(duì)用戶權(quán)限沒(méi)有要求，學(xué)員可精準(zhǔn)預(yù)約到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)滿足實(shí)驗(yàn)要求的工位，若該工位已被預(yù)約或占用，則預(yù)約不成功，在同一時(shí)間段內(nèi)，同一學(xué)員賬號(hào)只能預(yù)約一個(gè)工位。

3 結(jié) 語(yǔ)

作為衡量高校教學(xué)水平和管理水平的重要標(biāo)志，實(shí)驗(yàn)室管理技術(shù)的智能化是大勢(shì)所趨?；?a href="/tags/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)" target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管控平臺(tái)結(jié)合了本校實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)情況，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理模式，提高了實(shí)驗(yàn)室管理水平，減輕了管理員工作負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上實(shí)驗(yàn)室管理的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化。該管控平臺(tái)目前處于試運(yùn)行階段，部分功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到了預(yù)期效果。