高校实验室智能化管理系统的设计

文 燕，李 雪，李 敏

（成都农业科技职业学院 信息技术分院，四川 成都 611130）

近年来，随着国家对高校实验室的建设越来越重视，高校实验室在科研、人才培养及成果创新等方面取得丰硕的成果，也推动了我国高等教育的发展。经过多年的发展，高校实验室的管理水平较上个世纪有了很大进步，但在高校实验室建设和发展的过程中，实验室管理和实验设备的利用率等问题显得尤为突出。目前，大部分高校实验室的信息化管理系统，仅仅是对实验室的资源、设备和人员信息的管理，在实验室环境检测、设备控制和安全管理方面涉及不多。

用传统的方式来管理高校实验室，不仅方法落后，费事费力，效率低下，而且成本高昂。这些传统的管理方式已经不能满足当前高校实验室的迅速发展，目前实验室管理存在的突出问题主要表现在：

（1）对设备信息进行实时查询、监管以及维护效率不高，从而经常出现设备丢失现象，给实验室管理员带来许多的麻烦，浪费了大量的物力与财力。

（2）在实验课上，老师通过人工方式了解学生出勤情况，不仅费时，还容易出错。

（3）各实验室之间无法共享资源，实验室之间共享资源率低，尤其是一些高端精密设备、跨实验室设备使用程序复杂，导致某些设备的利用率不高。

（4）现有实验室门锁、窗帘和灯光都釆用机械销匙和手动的方式开关，不能进行智能化的远程控制，对于实验室的使用情况也不能够完整记录。

（5）在实验室环境监测方面，没有对环境实时监测功能，对于实验设备的工作与存放环境不能够及时检测或发出预警，从而给实验室造成毁灭性的损坏。

结合当前实验室管理所存在的问题，开发一套智能化的实验室管理系统已经迫在眉睫。随着物联网技术智能控制和管理在各个领域的应用逐渐成熟，将物联网技术应用到实验室的管理系统中是大势所趋。物联网技术为实现高校实验室的自动化、智能化管理提供强有力的技术支撑。

1 实验室智能化管理系统的设计

随着全球信息化的发展，新技术、新学科、新专业不断涌现。物联网技术在各个领域的应用深入，国家在信息化“十二五”规划中，提出了建设“智慧校园”的口号，希望把二十一世纪的大学建设成信息化、智能化的大学。“智慧校园”建设的一个重点就是高校实验室管理的信息化、智能化。

高校实验室智能化管理系统的设计目标是取代高校实验室传统的管理方式，增加对实验室环境实时监控和对实验室的智能控制等功能，让实验室的管理智能化，简化实验室管理流程，提高实验室管理的自动化、智能化水平和实验室的利用率，为实现现代高校的“智慧校园”提供强有力的保障。

该实验室智能化管理系统采用DCM三层整体技术架构，每层架构都应用最先进的物联网技术，围绕“软件即服务”的思想，在实现效果和设计理念上体现可视化、泛在化、智能化、个性化、一体化的特点。

智能化实验室管理系统整体架构包括三部分：感知层、网络传输层和系统应用服务层，该系统的整体架构图1所示。

图1 实验室智能化管理系统整体架构

系统结构中各无线节点模块负责对实验室的温湿度、PM2.5和光照等环境参数进行实时采集与监测，并将采集的数据通过物联网网关网络传输到应用中心的实验室智能化管理系统，用户通过物联网实验室智能化管理系统提供友好的人机交互界面和数据分析和统计显示，用户通过移动端和PC端访问系统客户端程序，后台程序主要负责接收来自客户端的指令，再由智能化管理系统发送到各个无线节点，系统最终做出智能决策、并实现远程管理和智能控制的功能。

1.1 门禁管理与考勤模块设计

门禁管理模块是实验室智能化管理的一个非常重要功能，是智能化实验室管理系统中重要的子模块。其主要由电源模块、NFC读卡模块、门禁控制器模块、门禁报警器、电控锁模块和出门按钮模块六个部分组成，门禁管理模块的结构如图2所示。

（1）电源模块：电源模块为整个智能门禁无线节点供电，釆用的是3.7V的锂电池。

（2）RFID读卡模块：RFID读卡模块采用的是NFC读卡，NFC是一种近距离无线通讯技术，负责读取学生校园卡数据。

2.4 多因素Cox回归分析 以本研究资料为样本，建立COX比例风险回归模型。应变量为EOC患者预后(赋值: 1=死亡，0=生存，生存时间t)。自变量为前述2.2和2.3节中P<0.05的各个指标/因素。回归过程采用后退法，α剔除=0.05。结果：分化程度、FIGO分期、PDCD4表达等3个指标被保留于回归结果中，相对危险度RR依次为2.527、2.947、2.014。提示分化程度(低)、FIGO分期(Ⅲ～Ⅳ期)、PDCD4(阴性)是EOC预后的独立危险因素(P<0.05)。见表2。

（3）ZigBee模块：ZigBee模块是无线节点的核心，提供控制和通信的功能，本系统中的ZigBee模块都是釆用CC2530的ZigBee芯片，CC2530不仅能够提供单片机的控制功能，还具有强大的组网能力，保证了系统无线模块之间的通信。

（4）继电器模块：继电器模块负责电控锁电源的开关控制。

（5）电控锁模块：电控锁主要针对实验室门的机械开锁和闭锁，门禁模块采用磁力锁。

（6）出门按钮模块：该模块实现从实验室内开门的功能。

图2 物联网门禁管理模块的结构

1.2 实验室环境参数采集模块设计

实验室的环境检测在实验室智能化管理中必不可少，如实验室里的温湿度、PM2.5和光照度等信息检测有着重要的意义，各类环境参数采集模块主要包括电源模块ZigBee模块和各类传感器模块。实验室环境参数釆集模块的结构组成如图3所示。

图3 环境参数釆集模块的结构

1.3 实验室控制模块设计

窗帘和灯光智能控制模块的设计原理与门禁模块基本一致，亦是属于实验室智能管理的重要功能。该模块主要由电源模块、ZigBee模块、继电器模块和控制电机组成。电机的功能是实现窗帘和灯光的开关与渐变，其他组成功能与智能门禁相同。智能控制模块的结构组成如图4所示。

图4 智能窗帘控制模块的结构

1.4 系统网关设计

网关是提供两种网络通信服务，一是无线节点间的通信服务，即通过ZigBee网络的Sink节点与处于ZigBee网络中的无线节点通信；二是无线节点与服务器之间的通信服务，即通过Socket网络协议与服务器进行通信。在该系统中，物联网网关釆用TP-Link WR703N路由器和CC2530的ZigBee芯片的组合设计，这样设计的网关不仅具有协议转换功能，还具有强大的管理能力和广泛的接入能力。TPLink WR703N是当前比较流行的一种路由器，再结合 OpenWRT操作系统。OpenWRT是一种基于嵌入式Linux操作系统，既具有高度模块化、自动化的特性，又拥有强大的网络以及扩展功能，被广泛应用于智能家居、智能农业等新兴领域。本系统的物联网网关的结构如图5所示。

图5 物联网网关的结构

2 高校实验室智能管理系统应用平台的设计

成都农业科技职业学院物联网综合实验实训室是成都市教育局重点实验室建设项目，实验室建设几年以来，在实验室的管理和设备使用方面存在了诸多的问题。结合我院物联网实验室的管理的具体情况，基于物联网技术的实验室智能化管理系统的系统主要包括以下功能：用户信息管理、设备信息管理、节点信息管理、环境信息管理、智能控制管理和考勤信息管理、门禁系统管理，实验室智能化管理系统的组织结构如图6所示。

（1）用户信息管理模块。用户信息管理模块不仅方便地管理了实验室内部人员信息，也记录了人员的正常流动过程，还为整个智能实验室管理系统提供了统一用户信息管理账号。该模块包括用户信息添加、用户信息的删除、用户信息修改模块和用户信息查询等功能。

图6 基于物联网的实验室智能化管理系统的功能

（2）设备信息管理模块。通过对我院实验物联网的实验室设备管理的需求分析，要求实现对实验室设备智能化管理。设备的日常管理包括新买设备的录入、报废设备的删除、设备的使用登记以及现有设备的查询等功能，通过设备上的标签利用RFID技术实现实验室设备的日常信息化、智能化管理。

（3）节点信息管理模块。由于考虑到系统地可扩展性和可持续性，在物联网实验室智能化管理系统中增加了无线节点管理模块，该模块使系统能够灵活地对各个无线模块进行管理，对节点的添加和删除更加方便，对于开发其他功能模块的成本大大降低了，同时也提高了开发其他模块的效率都。

（4）环境信息管理模块。该模块对传感器采集的实验室内环境数据进行分析与显示，即有对实验室内的温湿度、PM2.5和光照进行详细分析与显示以及查询等功能，为系统的智能控制提供智能决策。

（5）智能控制管理模块。主要是对实验室的开门、开关窗帘和开关灯光等进行智能控制操作。

（6）门禁和考勤管理模块。实验室教学门禁和考勤管理模块，根据课表或临时安排，通过刷卡开启实验室大门，在规定时间和规定地点对规定的人群开放；学生刷卡后，系统对使用实验室的学生自动分配实验台或实验设备，对学生课内外使用实验室的时间、实验内容等进行考勤、记录和统计分析；同时还可以按学籍管理要求，将学生考勤情况自动进行成绩、学分等折算；实验室的课外开放管理，学生可通过网络预约，在得到批准后在规定的时间通过刷卡进入实验室，使用指定的实验台或设备。

（7）系统信息管理模块。它是管理信息系统运行的基础，是对系统操作权限的集中管理，包括定义操作者角色、设定系统用户、设置功能权限、分配功能权限，系统管理设立统一的安全机制，如设置整个系统运行过程的监控机制、设置数据自动备份、清除系统运行过程中的异常任务等。

3 结语与展望

通过对高校实验室的管理和使用现状进行调研和分析，根据实验室在使用和管理过程中存在的问题，将物联网技术应用到具体的实验室管理中，建立了实验室智能化管理系统的结构模型。结合成都市教育局立项的第一批重点实验实训室——成都农业科技职业学院物联网综合实验实训室项目的具体情况，将实验室智能化管理系统的结构模型应用到该项目的物联网实验室综合管理系统中。应用结果证明，实验室智能化管理系统的应用实现了管理信息化，简化了实验室管理流程，有效地提高了实验室的管理效率和设备的利用率，降低了实验人员的劳动强度，优化了师生的实验教学环节，加强了实验过程中的实时监控，进一步实现实验室管理上的信息化、智能化、自动化。鉴于该实验室智能化管理系统在物联网实验实训室取得的成效，下一步准备将该系统进行推广应用，针对学院的农学、畜牧类等实验室的特点管理进行改进，以及推广应用到其他高校和科研院所的实验室管理中。