基于物联网的高职智慧实训室管理中心建设

黄丽芬，刘道敬

（1.广东行政职业学院实训中心，广东广州510800；2.广州工商学院经济与贸易系，广东广州510800）



基于物联网的高职智慧实训室管理中心建设

黄丽芬1，刘道敬2

（1.广东行政职业学院实训中心，广东广州510800；
2.广州工商学院经济与贸易系，广东广州510800）

摘要：叙述现存高职实训室建设与管理存在的问题与不足，针对高职实训室建设管理方面特点，结合物联网技术和云计算技术，基于共享、同治理念提出智慧实训室管理中心建设与管理思路，设计智慧实训室管理中心的层次架构，给出管理中心功能设计，云数据中心、RFID设备管理系统以及环境监测系统等的建设思路。

关键词：物联网，智慧实训室管理中心，云数据中心，RFID系统

针对高职现存专业实训室管理的特点和不足，本文应用物联网技术和云计算技术基于共享、同治理念设计提出智慧实训室管理中心的建设与管理思路。建设智慧实训室管理中心可以提高高职师生实验信息服务质量，改变高职实训室传统管理理念和手段，提升专业实训室的管理效率，加速高职校园设备管理自动化进程，提高安全管理和环境管理智能化程度，改变以往高职专业实训资源利用率不高、管理杂乱的现象。为使智慧实训室管理中心的建设管理模式能够满足高职院校与日俱增的发展需要，需要积极探讨新的建设管理模式。本文提出的基于物联网技术的智慧实训室管理中心建设与管理思路，旨在建设一个全面智能的实验环境，形成一个以人为本的、全方位的管理中心，旨在为广大高职师生提供更加专业、更加智能、更加人性化的辅助服务。

1　高职专业实训室建设与管理现状

高职院校要求培养学生成为技能型人才，因此教学实践环节设置比例较大，各专业实训室的建设和管理工作任务十分繁重。高职院校的专业实验室普遍呈现使用规模大、人次多、专业设备分类繁杂，软硬件更新快、管理复杂度高等特点。与之相对应的实训室建设与管理方法却普遍呈现人工化、手工化，建设缺乏布局上的整体性和连贯性，管理上信息化和自动化程度低。总而言之，高校实训室管理上还存在以下亟待解决的问题。

1）资源共享方面：相同或不同专业实训室之间均存在着资源利用和分配不均匀现象，实验设备和资源很难实现共享，专业实训室重复建设率高。高职部分专业实训设备相关技术发展速度快，设备软硬件更新快，使用周期短，淘汰率高，更新建设造成人力、物力巨大浪费。

2）设备管理自动化方面：实训设备和仪器布置分散、管理难度大、保养与维护自动化程度低等；专业实训室往往设备数量多、种类杂，对仪器设备的日常维护和损耗维修依然停留在纸质记录和人工的方式上，管理工作量大，管理人员往往很难准确快速跟踪设备使用和维护情况，资源浪费。例如，计算机实训室目前多采用硬盘自动还原保护等手段来维护，管理人员需要根据实际情况重复设置手动和自动还原，学生计算机使用情况完全依靠纸质记录，这些现行的方法使管理和维护难度大且工作量大，对管理工作形成巨大负担。

3）安全管理智能化方面：高职实训室的教学任务多较繁重，往往一个专业的几百名学生都在同一个实训室上课，导致实训设备处于不停歇的运转状态，超负荷工作，使用频率过高，加之设备数量庞大，常常无法做到及时维护，系统故障概率与日攀升。目前高职的实训室安全管理绝大程度上依靠管理人员责任心和大量时间的坐班来维系，没有成形的、稳固的安全体系，缺乏各类潜在危险的预警体系建设。

4）环境管理自动化方面：专业实训室因设备、仪器精密程度往往对实训室的温湿度、粉尘、噪声等指标常有所要求，但现存的实训室主要依靠管理人员责任心维系，未能实现统一监控和自动管理；实验室照明、设备供电、机器用电没有实现自动化控制，人工耗费大，资源浪费。

2　物联网技术在高职实训室管理中的应用现状

物联网因其技术特点及广阔的行业应用前景而受到了各行各业的高度重视。它是对计算机、互联网、移动通信等各种新技术、新理念的高度融合，它打通了电子技术、自动化技术、通信技术、生物技术、机械技术、材料技术等多种非相关技术间的通道，使得这些技术真正融合为一个整体，进而实现人与人、人与物、物与物的通信互联。物联网系统一般可分为感知层、网络层、应用层三个层次。物联网涉及的新技术很多，其中的关键技术主要有射频识别技术、传感器技术、网络通信技术等。

物联网技术在高校实验室管理中的应用模式和内容主要体现在利用互联网技术、物联网技术及嵌入式技术来实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联、人员的互动协作以及开放实验室设备资源、教学资源、科研资源的高度信息共享，构建一个虚实结合、软硬兼顾、内外相联的实验室信息系统，实现实验资源管理信息化、管理教学高效化、实验室服务网络化［1-3］。车辚辚等在文献［1］中引入RFID、无线传感器网络、ZigBee等技术，构建一个集数据采集、处理和服务于一体的智慧实验室。周春月等在文献［2］中将互联网技术、物联网技术及嵌入式技术应用于实验室信息系统建设，旨在实现实验资源管理的信息化、实验室服务的网络化。毋妙丽在文献［3］中基于云桌面技术建设实验室资源共享平台，提升资源利用率，增强实验室维护的便利性。这些文献提出的观点和思路都从局部的角度解决了当前高职专业实训室建设存在的问题。

3　基于物联网的高职智慧实训室管理中心建设

3.1基于物联网的智慧实训室管理中心建设层次架构模型

智慧实训室管理中心以高职校园现存互联网络为依托，首先在各实训室建立设备感知系统，实现设备间物物互联，进一步将设备感知的网络与校园互联网相连实现物网互联，最终实现互联网络与物联网络网网互联，形成能智慧感知的实训室物联网络。智慧实训室管理中心在建立实训室物联网的基础上，借用云计算技术的力量将实践教学硬件资源与软件资源有效结合，科学管理，提升资源利用率。

图1所示为智慧实训室管理中心基于物联网基础模型建立的层次架构模型。其中感知层主要完成实训教学设备的感知及控制、安防和环境等基层管理数据的采集和应用层管理命令的执行。网络层主要负责物联网络的互联和感知层不同协议采集数据的转换、传递，承担着智慧信息的接入、传输、运算与保存等重要工作。应用层建立在感知层和网络层的基础之上，应用层须提供大量可靠、快捷、智能的应用服务，才能体现系统的智慧性。应用层旨在建立一个多服务综合平台，实现资源管理、教学管理及安全管理、环境管理等多种功能。智慧实训室管理中心的应用层智慧管理平台通过教学资源库、学生自助实验、教学管理、设备管理及日常管理等若干功能模块的作用来充分实现对实验教学、实验资源、实验环境及实验人员等方面进行集中、高效地管理。

图1智慧实训室管理中心的层次架构模型

3.2云数据中心建设

云数据中心是整个实训室智慧管理中心的重要组成部分。作为一种新型的管理系统，云计算被广泛应用于高校实验室中。云计算的应用可以简化设备管理，提升资源利用率。云计算技术具有分布性和共享性，提高了设备计算能力和系统容灾能力，减少设备之间依赖性，降低使用成本，提升设备的利用率等特点。同时，云计算具有软件备份、统一管理资源和设备的功能，管理系统时，系统仍处于防护状态，从而可消除对系统产生威胁的因素，有效改善传统系统管理的安全性问题。采用云计算平台构建高职专业实训室管理平台，可以解决目前高职专业实训室建设和管理中所面临的一些问题，减少专业实训室设备维护更新的投入，提升实训室资源利用率［4］。

建立实训室管理云数据中心，把所有的实训教学软件及实训资源都放在云数据中心的服务器上，构筑一个虚拟资源池，便于管理人员管理各种软件和实验数据等，并对所有实践数据存储和分析及对实践过程与结果量化，可追溯管理，基于校内实践教学大数据深度挖掘，可实现智能化实践教学管理。当某个实验室客户端要使用其中的资源时，可以直接从共享资源池中获取相关资源，只需要在客户端输入管理员分配的云用户进入系统，云终端的资源管理软件会根据用户不同的需求自动分配。云数据中心建设主要包括云实验平台建设和教学资源库建设两大部分。

1）云实验平台建设。

结合高职云实验平台建设的特点，设计云实验平台建设基本架构图，如图2所示，包括三部分：硬件虚拟服务层、系统管理层、云终端系统层。虚拟服务层是IaaS，包括硬件系统层和虚拟机系统层，通过虚拟化软件实现硬件虚拟，每个终端都对应云上的虚拟计算机。PaaS，包括云平台资源管理系统等云上管理系统，实现对硬件资源的整合管理和虚拟化操作。SaaS，是云终端系统层，包括硬件终端和登录终端软件系统。

图2云实验平台的建设基本架构图

2）教学资源库建设。

教学资源库的建设实质就是高职各专业的实训课程的资源和课程体系的电子化，具体包括教学软件、视频、课件、试题库、公开课等等，其目标是从物理上把理论课教学与实验课教学融合到一起。部署的教学资源可以以云的SaaS形式开放给校内外需求者，整个教学软资源以服务的形式提供给师生用于备课、教学、复习等，也可以以开放资源的形式面向社会并获得一定的服务费用。教学资源就是理论技术资源与实践实训资源构成的创新型教学资源，其核心是课程体系资源与实训体系资源。这2个资源物理分离，通过知识点与技术体系关联耦合在一起服务于教学，为理论与实践相结合的教学改革提供资源，为实践教学提供共性的软硬件平台资源以及共性的基本型实验课程。

云平台加入高职实验教学优势在于可使提供的教学资源共享方便、快捷、易用；还可以把企业信息化环境引入教学过程；鼓励教师研发课程资源的载体，激发教师的教学工作热情；提供可靠、安全的数据存储服务，用户端的设备要求低，使用方便，可与其他高校进行资源共享。

3.3基于RFID的设备管理系统

高职专业实训室种类繁多，每个实训室有上百个设备，且种类不一。安全和状态监测一直是困扰实训室设备管理的大问题。如何科学管理，使用实验设备既容易监测又能保证安全，成为高职专业实训室设备管理的一大难题。在实训室引入仓储物联网系统，运用先进的RFID技术，对固定资产管理进行优化和整合。实训室门口设置RFID终端，设备进出实验室都做了准确记录或报警，便于设备安全管理。每个实训室的设备资产都有统一编号，便于设备资产转移等的管理。定期更换系统，详细记录每台设备的型号、性能、使用情况和故障情况，从而有效解决以往高职专业实验室管理杂乱的现象。引进RFID技术用于实训室设备管理，把设备的详细信息（如：设备名称、设备编码、设备厂家、设备参数、可用情况、检修情况等）存储在芯片中通过读卡器识别传输到互联网及无线终端设备上。这既便于数据查询和更新，而且便于统一管理使设备使用、回收及检测，有效防止设备丢失及替换的情况，降低了实训室设备管理的劳动强度，大大提高了工作效率。

以速录实训室为例，除了计算机以外，速录实训室需要管理还有上百台速录机，传统管理方法是通过编号，贴标签的方式统一发放和统一回收，维持速录机的有序和安全依靠的是学生的自觉和管理人员的辛劳。应用电子标签技术，将实训人员的信息与速录机应用信息实时记录，大大减轻了速录机管理的工作量，同时保障速录机的安全可靠使用。另外，速录机需要定期的巡检和维修，才能保障速录教学的正常进行。实训人员记录速录机的运行情况并存储在电子标签中，管理人员远程收到故障情况设置报警信号安排维修，通过无线和有线网络传输到物联网的智能终端。远程的情况下，就可以完成设备巡检，大大缩短维护的时间明显提高了效率。

3.4智能实验室环境监控系统

智能实验室环境监控可参照智能家居系统建设，智能家居系统一般基于各类搭载了Zigbee等无线通信模块的家用电器、照明设备和安防设备等，实现对家庭环境的全面感知，并由智能家庭网关实现感知层和网络层的数据交互。在智能家居系统的实际应用环境中，一般对设备节点的信息采集速率和命令发送速率要求都比较低。典型情况下，一般要求采集速率和发送速率为十几kbit／s左右即可满足要求，同时对信息传输的可靠性和网络容量要求较高。在目前常见的无线组网技术中，ZigBee作为一种低功耗、低成本、低速率和低复杂度的近程无线通信技术，特别适合智能家居系统的应用特点，并被业界广泛采用。而有线组网技术中EIB通信技术较为成熟，功耗和使用成本也相对较低。

基于无线的ZigBee技术或者是有线的EIB技术建立各个实训室的环境监控子系统，对实训室的温度、湿度、亮度、通风情况及安全、能耗等情况适时监测控制，采集数据通过协议转换网关及网络层传回数据服务器及管理平台，及时展现给管理人员，通过移动APP功能管理人员无需坐班即可随时随地监测实训室环境及安全情况。系统自动通过预先设置的合适的春夏秋冬、白天、夜晚或自定义模式对实训室环境进行预设置。门禁系统和课程设置系统绑定，辟如，周四上午有课的实训室，周四上午8：20系统自动开启对应课室的门禁，方便师生进入实训室。

3.5智慧实训室管理中心系统平台

物联网的信息管理中心主要依托已有的技术比较成熟的校园网，包括其各种服务器和数据库。智慧实训室管理中心的系统平台管理功能具体包括仪器设备管理、实践教学管理和日常管理三大部分［5］，如图3所示，仪器设备管理负责实训室各种类型设备的状态监测、工作数据及采购、报废、档案管理等。实验教学管理主要负责实验资源、数据的管理，实训课程的申请及教务管理等。实训室日常管理包含日常安全管理、门禁管理及电源管理等。在这个平台上，学生可以借助该平台进行实验预约、下载资源、浏览课程设置信息、查询实验报告等。教师可以借助平台完成排课、实验监测及考务管理等操作。实训室管理员在平台上可以掌握各实训室全部资源，包括设备状态、端口占用情况并定期生成设备巡检报告，实时掌控实训室安全状况及环境状态。

图3智慧实训室管理中心系统平台功能模块

感知层的传感器网络终端数据通过密钥认证，由读卡器识别，经过无线通信链路和物联网网关传输到实训室管理中心。用户控制端可以通过便携电脑、手机等终端设备获取需要的信息。智能处理端可以在第一时间内对从传感器网络得到的数据进行分析诊断，并智能的发送相应的操作命令去控制应用终端设备。只要通过相关的认证，广大师生可以通过手机或电脑随时进入该管理系统，完成设备预约、接收实验数据、查看实验指南等操作。

4　结束语

提升实训室管理技术的信息化程度是当前高职实训室建设的大势所趋。本文针对当前高职实训室管理中存在的不足，打破壁垒、资源重新整合规划、系统架构优化，以先进技术为支撑，以资源共享为目标，以多元化服务为宗旨，提出基于物联网和云计算技术的智慧实训室管理中心的建设方案，整合与优化教学资源，加强实训室的安防体系建设，提升设备管理与教学研究的工作效率，使实训室管理操作更具灵活性和便捷性，实现节能降耗，旨在推动高职实训室建设与管理到更高水平。

高职实训室建设和管理涉及到的因素非常多，专业实训室的规划、设计以及管理技术性很强，建设一个高效规范的智慧实训室必将是未来实训室建设的一大发展趋势。现阶段我国智慧实训室建设只是一个起步阶段，本文提出的是智慧实训室管理中心建设思路，期待对高职实训室建设和管理具有一定的推动作用。

参考文献：

［1］车辚辚，孔英会，赵建立，等.基于物联网的智慧实验室设计［J］.实验室研究与探索，2013，30（10）:212-215.

［2］周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究［J］.实验室研究与探索，2014，33（5）:239-243.

［3］毋妙丽.基于云桌面技术的实验室资源共享平台建设［J］.实验室研究与探索，2014，33（12）:290-294.

［4］王峰，黄刚.基于云平台的计算机实验教学中心建设［J］.实验技术与管理，2014，31（12）:121-123，143.

［5］海涛，王钧，廖炜斌，等.基于物联网的高校实验室信息化

管理技术［J］.实验室研究与探索，2012，31（9）:166-169.

［责任编辑：钟艳华］

高职教育研究

Construction of Intelligent Laboratory Management Center for Higher Vocational College Based on the Internet of Things

HUANG Lifen1, LIU Daojing2
（1.Practical Training Center, Guangdong Vocational Institute of Public Administration, Guangzhou Guangdong 510800, China; 2.Department of Economics and Trade, Guangzhou College of Technology and Business, Guangzhou Guangdong 510800, China）

Abstract:This paper first points out the problems and shortcomings of laboratory construction and management, and then, based on the Internet of Things and cloud computing technology, proposes a new construction and management route with the concept of shared resources and shared responsibility. At the same time, the layers and structure of intelligent laboratory management center is designed. Finally, the construction routes for the design of the function of management system, the cloud data center, the equipment management system of RFID and the equipment monitor system are investigated.

Key words:the internet of things; intelligent laboratory management center; cloud data center; the system of RFID

作者简介：黄丽芬（1982—），女，安徽桐城人，硕士，实验师，研究方向：计算机应用技术、物联网。

基金项目：广东省高职教育教学管理委员会课题（JGW2015010）；广州工商学院院级科研课题（KB201409）；广东省高职高专云计算与大数据专业委员会教育科研课题（GDYJSKT14-01）。

收稿日期：2016-01-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.01.009

中图分类号：G717

文献标志码：A

文章编号：1672-6138（2016）01-0040-05