物联网技术在高校实验室管理中的应用

2019-09-10张皓瑜陈媛媛

河南科技 2019年28期

张皓瑜陈媛媛

摘要：随着物联网技术的迅速发展，社会各行各业对其应用的需求越来越迫切。高校作为国家培养人才的载体，更应该落实物联网技术的应用。实验室作为高校教育的重要组成部分，应及时引进物联网技术。基于此，本文首先探讨物联网的概念及原理，然后分析物联网技术在高校实验室管理中的应用，最后阐述应用成效，以期为物联网技术在实验室中的应用提供参考。

关键词：物联网;实验室管理;信息化

中图分类号：G647;TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）28-0029-03

Internet of Things Technology in the Laboratory

ZHANG Haoyu CHEN Yuanyuan

（School of Information and Engineering， Sichuan Tourism University，Chengdu Sichuan 610100）

Abstract： With the rapid development of Internet of things technology， the demand for its application in all walks of life is more and more urgent. As the carrier of training talents， colleges and universities should apply the technology of physical networking. As an important part of college education， laboratory should introduce Internet of things technology in time. Based on this， this paper first discussed the concept and principle of the Internet of things， then analyzed the application of the Internet of things technology in university laboratory management， and finally described the application results， in order to provide a reference for the application of the Internet of things technology in the laboratory.

Keywords： Internet of Things;laboratory management;informatization

高校實验室作为一个独立的系统，是高校发展学教研一体化的重要组成部分。近年来，高校办学规模不断扩大，各高校在实验室硬件条件及信息化管理上的投入得到了较大提高。实验室物品是教学研究的基础设备，实验室设备管理的合理与否直接影响着高校管理以及教育的好坏。实验室的开放为学生提供了自主研发的场所与物资，在鼓励学生自己动手、巩固理论知识以及培养学生发现问题、解决问题、探索未知的同时，也应注意实验室设备管理的合理化以及安全等问题。

实验室人多物杂，且长期以来主要采用人工管理的方式，实验室管理员承担着设备数量统计、保存、调试、检修及更新等工作，加之面对大量的实验仪器以及流动的学生，管理员难免存在效率低下、容易出错、管理不灵活、疲于应付的问题。因此，各高校迫切需要引进物联网技术，进行信息化开放式实验室管理。

1 物联网的概念及原理

物联网就是物物相连的互联网，其核心仍然是互联网，只是在互联网基础上的延伸和扩展。其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信[1]。物联网的定义是通过射频识别技术（RFID）、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念[2]。其由全球产品电子代码（EPC）、射频识别系统以及信息网络系统三大部分组成。

射频识别（RFID），又称无线射频识别，是一种通信技术，俗称电子标签。其可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID是一种非接触操作，RFID标签具有体积小、寿命长、可应用于恶劣环境、可重复使用、抗干扰能力强、读取距离远等特点[3]。

RFID技术的工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理[4]。

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。其主要特点是低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间，依托专门的无线电标准达成相互协调通信，因而，该项技术常被称为Home RF Lite无线技术、FireFly无线技术[5]。ZigBee无线通信技术还可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域，可省去计算机设备、一系列数字设备相互间的有线电缆，且能实现多种不同数字设备相互间的无线组网，使其实现相互通信，或者接入因特网。

2 基于物联网技术的实验室管理

2.1 实验室物资管理

传统的实验室物资管理多采用标签管理，即将实验设备的购入日期、使用情况等记录在标签上张贴在设备旁。这种管理方式虽然清楚明了，但存在标签易破损、保存不易、更新麻烦等弊端。针对这一问题，可借助物联网技术对实验室的物资设备进行智能化管理，如基于RFID技术，利用电子标签进行改进。每一个拥有唯一编码的电子标签均可作为RFID系统的数据载体，用来存放被标识物品的信息。电子标签由天线和芯片两部分组成。其中，芯片主要用于对数据进行记录和计算，是标签的核心;天线是RFID系统在整个通信过程中的核心，系统通过天线接收读写器传过来的信号，并将需要的数据再传给读写器，经过调制及解调处理后，最终，逻辑控制单元将阅读器传来的信号进行译码处理，并将数据返回给读写器，存储单元的功能是存放识别的数据以及保证整个RFID系统正常运行[6]。电子标签如图1所示。

在实验室中使用电子标签，可对符合固定资产的物理对象提供动态资产管理监护功能，提供物理设备的履历管理、初始批量导入、新增、批量分配调拨、借出归还、维修返还、盘点清理、报废、处置注销的全生命周期流程化管理功能;同时，结合物联网平台泛在互联、动态综合监测、智能化控管的特点，为实验室管理员提供运行维护动态监管。管理员可通过电子标签实时掌握实验室设备的全部信息，也可实时更新设备信息。

2.2 实验室安全管理

2.2.1 实验室温湿度调节。实验室拥有大量的实验仪器，如电脑、服务器、交换机等。其中，服务器等对散热性、通风性、环境温湿度的要求比较高，散热不佳、通风不良、温湿度异常等都容易造成设备损坏。在传统的人工管理模式下，实验室管理员无法每时每刻关注实验室的动态变化，也很难精确地调节到合适的物理环境。本文拟采用基于物联网的远程温湿度监测系统。该系统主要分为三个模块，即室内温湿度数据采集模块、温湿度数据传输模块以及温湿度数据处理模块，然后通过无线路由器将数据实时同步到PC端和手机用户端[7]。远程温湿度监测系统流程如图2所示。

室内温湿度数据采集模块包含温度、湿度传感器及节点模块，节点模块使用的是ZigBee芯片。室内温湿度数据传输模块主要分为两层，一层用于与下层数据采集模块的数据传输，获取采集到的数据;另外一层用于与上层数据处理模块通信，其中上层充当了节点，下层采用自动形成ZigBee网络。室内温湿度数据处理模块分为服务器进程及客户端进程，服务器进程接收ZigBee协调器传送过来的数据，客户端进程主要用于与服务器端进行数据交互，以获得温湿度数据。最后构建局域网，让管理员可以通过移动手机端获得温湿度数据。

2.2.2 火灾报警。火灾也是高校实验室的一大安全隐患。传统的烟雾报警器只能进行当场声光报警，即只有当实验室周围有人时才能起到火灾报警效果，而當实验室周围无人时，并不能起到很好的提醒作用。对于这种情况，可采用新型烟雾报警器，即当实验室出现烟雾时，不仅可以当场进行声光警报，还可以将报警信息上传至网关从而传送到实验室管理员的手机端，这将在很大程度上减少火灾带来的财产和人员损失。

新型的火灾报警器以火灾报警控制器为中心，在传统火灾报警器内嵌入网络或GSM模块，当实验室发生火灾时，物联网感知层即温度传感器以及烟雾传感器等数据传入火灾探测器中，火灾探测器进行分析后在现场以声光的形式进行报警，并把相应数据传输到火灾报警控制器中，火灾报警控制器将相关火警信息在转发到物联网网络层即因特网上，数据送到应用层，即实验室管理员手机端、安保中心等，即可有效实现火灾报警。

2.2.3 实验室智能无线监控系统。基于物联网技术的智能无线监控系统主要采用ZigBee，结合远程监控。监控网络模块的电路主要由无线路由器、协调器、监控节点等部分组成。实验室管理员的手机、计算机等移动终端可利用无线路由器与监控系统连接，实时观看任意实验室的监控。

3 应用成效

在高校实验室中，利用物联网技术对实验室进行管理，不仅大大解放了人工劳动力，而且实现了高效性、节能性、安全性。

高效性：利用射频识别技术下的物资管理大大减少了对实验室物资管理的错误率，信息可随时输入、更改，容易保存;温湿度调节系统也增长了仪器保存年限，能更加精准地落实相关工作。

节能性：利用射频技术的物资管理降低了对纸质标签的使用，减少了资源浪费;温湿度调节、火灾预警、远程监控等系统可通过ZigBee网络整合连接起来，节约了运行空间。

安全性：温湿度调节、火灾报警等系统通过与移动设备的连接，能更加快捷高效地传达信息。

4 结语

基于物联网技术的高校实验室管理，通过引进新的技术与设备，对实验室进行高效率、高质量管理。随着物联网的发展，基于物联网技术的实验室智能管理也会不断发展，物联网技术也会被运用到各行各业。

参考文献：

[1]王宇鑫.物联网技术应用于多设备共享实验室管理的研究与实现[D].沈阳：沈阳工业大学，2019.

[2]孙梯全，李延标，田俊杰，等.基于物联网的实验室智能管理系统的构建[J].课程教育研究，2014（36）：235-237.

[3]邓惠，叶群.基于物联网技术的远程温湿度监测[J].信息与电脑（理论版），2015（5）：29-30，35.