物联网技术在高校智慧实验室构建中的应用

贾维丁

摘 要 随着高校的逐年扩招，高校学生人数几何式的倍增，高校实验室规模也跟着扩大了。实验室日常管理靠传统人工式的管理劳动强度大、工作效率低、工作误差大。结合当前高校实验室中的实际情况，以先进的管理理念为指导，要建设一所现代化的智慧校园，智慧实验室是智慧校园的重要组成部分。本文介绍了物联网技术在智慧实验室中的应用与实现。该系统包扩教学管理、开放管理、学生管理、教师管理、实验课程管理与实验项目管理、仪器设备管理与实验耗材管理；该系统帮助实验室工作人员提高管理效率，提升服务质量。

【关键词】物联网 高校实验室 智慧校园

1 高校实验室管理中存在的问题

1.1 实验室人员队伍和结构建设的速度远远跟不上实验室建设的速度

政府部门或者学校投资方花费大量资金投入了实验室设备，大量的高精尖的设备也进入了高校实验室。比如我校在2013年开始建设实验室，专业的新增导致在校生的规模急剧扩大，专业结构划分越细，实验室的数量种类也在急剧增加，实验人员只限于忙于计划内开设的实验教学内容，导致一些设备资源严重闲置，设备利用率不高。在高校实验队伍得不到应有的重视，很少有外出培训提升的机会，只能靠自己慢慢摸索来提升自己，在职称评定、项目申请、科学研究等很少有機会来提升自己。就目前我校这种模式下实验人员存在学历偏低，职称偏低，缺乏一些高素质人才的加入。

1.2 实验室安全隐患多

随着实验室开课任务的增加，专职实验老师无法应对大量的学生，在实验操作过程中，老师无法顾及到每一个学生，大量的学生没有按照操作流程来进行实验，有部分实验项目对实验室财产和人身安全有一定的危险性。长期的非正规操作，使得很多学生没有养成良好的实验素养，使得仪器的损坏率故障率越来越高。

1.3 实验室管理水平落后

近年来，各高校加大了实验力度的建设，中央与地方共建实验室经费、校企共建实验室经费、“211”工程建设经费、国家重点实验室经费等投入了巨资。实验设备规模在飞速发展，但是大多数高校实验室管理人员还是采用传统的管理方式，陈旧的管理理念，僵化的管理制度，并没有跟随时代的步伐。

2 智慧实验室

智慧实验室必然以信息技术应用为主线，在未来，借助物联网、云计算、大数据、智能化控制和移动互联等信息技术，通过感知、物联、智能化的方式，将高校实验室中的物理基础设施、信息基础设施、学习生活基础设施和科研基础设施连接起来，达到智能自动化管理和监控，保障实验室的安全，创造一个绿色环保、低碳低耗、智能舒适的实验环境。同时，通过这些最新前沿技术的应用，升级现有的校园网络设施，结合一卡通系统，以校园微信公众号和校园门户网站为平台入口，实现与智慧校园的数据融合、服务融合和网络融合。

2.1 物联网技术与智慧实验室

近年来物联网技术已经广泛应用于智慧城市与智慧校园建设，将物联网技术应用于高校实验室管理，可以有效地解决高校实验管理存在的问题，也为全面提升高校信息化管理水平带来了新的机遇，高校实验室的智慧化已经成为未来高校实验室建设的必然趋势。

物联网是通过射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备。按约定的协议，把物品与网络连接起来进行信息交换和通信，以现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。以物联网技术打造智慧校园建设.为高校智慧学习环境构建带来了诱人的机遇和挑战，智慧教育成为全国教育信息化的发展方向。

2.2 云技术与智慧实验室

云技术是一种虚拟化技术，云技术可以在一些计算机类实验室中发挥出很多优势。虚拟仿真平台的建设也是智慧实验室建设的重要组成部分，虚拟实验平台面向全校，充分考虑多种技术的融合，以实现全校虚拟实验资源的整合。云计算是一种能够通过网络以便利、按需的方式获取计算资源（包括网络、服务器、存储、应用和服务等）并提高其可用性的模式，这些资源来自一个共享的、可配置的资源池，并能够以简便和无人干预的方式获取和释放资源。云平台建设是将实验室的资源虚拟化，使用云终端、云系统、云服务器、云存储。整合机房所有的IT资源，提高利用率；将所有的教学资源都由‘云来提供，随时随地可以获取；降低硬件的采购；并且可以实现资源共享，比如一些正版的专业实验软件，由于版权等因素只能是一些实验室内部计算机可以使用，使得一些需要学习的人收到了时间和空间的限制，但是使用虚拟云技术，只要在一些终端设备登录云客户端，就可以为学生或者老师提供多样化的学习资源。

3 智慧实验室的管理系统构架

物联网技术是构建智慧校园的关键技术，由于民办高校实验室建设资金有限，智慧实验室的构建要考虑系统的可扩展性，预留智慧实验室的扩建接口。参考物连网的三层体系结构，本文构建了智慧实验的架构模型如图1所示。

3.1 基于RFID的实验室设备资产管理系统

基于RFID系统的管理主要包括有固定资产的管理和低值易耗品的管理，学校对固定资产进行打标，利用RFID技术可以对固定资产进行定位，固定资产的管理包括设备增删、查询、借用、维修、统计、定位等，低值易耗品的管理包括查询、领用、统计等。

3.2 基于ZigBee的智慧实验室的数据监测系统无线传感网络是当今国际前沿研究的热点领域

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，系统由传感器节点、路由节点、中心节点和上位机监测平台组成。系统主要包括CPU、ZigBee模块、RFID模块、串口、传感器模块和门禁模块等。ZigBee终端节点负责实验室环境现场数据的采集，通过实验室监测系统实现实验室信息管理的智慧化，并对协调器传输的数据进行处理。

3.3 实验室智能视频监控系统

常规的视频监控仅能提供视频的捕获、存储、回放等功能，很难起到预警和报警作用。实验室智能视频监控系统的主要由三部分组成：摄像头，智能检测模块，移动通信模块。智能监管系统主要包括实验室地图、视频监控系统、门禁系统巡视系统、对讲呼叫系统、紧急报警系统，智能预警系统主要包括应急预警、危险实验室预警、门窗预警、实验人员预警、用电预警、安全预警情况查询等功能 。

3.4 开放实验室预约系统

实验室教学通过验证性实验虽然能加深学生对理论知识的掌握和理解，但不能够培养学生的创新思维，而开放式实验室有利于以学生为本，激发学生的学习、动手科研兴趣，主学习，培养出创新型人才和应用型人才。

师生通过网上预约实验。使實验员开放实验室非常方便实验安排更加科学合理。开放实验室预约系统包括权限管理、预约管理、查询管理、门禁管理、审批管理等功能，预约管理主要是实现预约申请、预约审核、实验进度等，查询主要是查询实验室类别、实验项目、设备状况、预约状况等。这样实验室人员从传统的“看门人”变成技术管理人，节省出更多的时间来指导学生实验和进行科研，还能把实验室人员从繁琐的事物中解放出来。

3.5 实验室智能水电管理系统

水电管理系统对于院校实现水电管理系统化、智能化、节约化具有非常现实的意义。水电智能管理系统可以通过控制中心的计算机进行软件操作，利用软件控制实验室内的各个水电控制继电器，再由继电器控制水电的通道开关，进而实现由水电智能管理系统控制中心控制所有实验室内的电器开关和水阀开关。利用水电智能管理软件可以对校园内电器及水阀进行智能化管理，譬如：在规定时间内控制给水、控制停水、控制给电、控制停电等，所有操作由系统完成。

3.6 实验教学信息系统

该系统主要面向全院师生，包括学生管理、教师管理、实验课程管理与实验项目管理。比如我校使用的北京邮电大学的虚拟实验系统平台，结合该平台进行二次开发，进行虚实结合，变成一套管理兼教学的综合实验信息系统。实验课教学是由教师对实验项目库进行管理， 通过实验教学流程管理， 从实验项目库中选择不同的实验项目构成各门实验课程 ，并由各课程教师负责网络课堂的管理。学生提交实验方案的设计实验课程， 使用设计实验方案管理模块 。在实验课开始前应用助教申请模块 ，筛选确定各实验课程的助教名单， 在实验课结束后，应用教学评估模块，对教学教师 、助教 、实验室工作人员 、实验课内容、硬件设施等各方面开展评估分析。平时可使用内容管理模块， 展示整个教学单位从教学到管理全方位的信息。

4 结论

基于物联网的智慧实验室的建立，彻底改变了以往实验室粗放的管理模式，实验室的管理观念也得到改变，通过系统的实施，规范了实验教学管理，不仅提高了实验室管理人员的工作效率和服务水平，也提高了实验室设备的利用率和设备维修及耗材资金的使用效益，系统中的原始资料和基础数据也为实验室开展评估提供了重要的依据。

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