基于物联网技术的高校实验室智能管理系统设计探讨

2020-01-08

科教导刊·电子版 2020年30期

（南京工业职业技术大学江苏·南京 210023）

现如今，在新工科理念与背景下，为了能够更好地拓展学生的思维、培养学生良好地创新精神与能力，高校非常重视实验室的建设与应用。在实验室管理方面，很多高校依然沿用传统、落后的管理模式与理念，缺乏一定的先进性与实效性，使得实验室应用的效果并不显著，影响实验室应用水平的提高。而随着物联网技术的逐渐发展和广泛应用，重视并强化实验室智能管理系统的设计与应用是非常可取的。积极地设计与应用物联网技术，将实验室的教育与学习资源进行更好地整合，优化实验室教学的模式与路径，能够更好地破除传统、落后实验室管理模式的局限与禁锢，促进实验室管理效率与品质的更好提高。

1 物联网技术的概念及内涵

目前，物联网是当前新一代信息技术发展的另一阶段。所谓的物联网，简单地说就是将物与物相连的网络。物联网的基础与前提是互联网，通过互联网来促进物物之间的信息交换与通信，同时通过普适计算、识别技术以及智能遥感等技术的应用，使得物联网技术的发展更为先进。物联网是互联网运用范围得以拓展的表现与形式，而其核心就是应用创新，灵魂就是以用户体验为核心的创新。

目前，物联网逐渐成为推动世界高速发展的重要生产力，其一方面能够节约成本，促进经济效益的大大提高，另一方面能够为全球经济的复苏与发展提供强有力的技术支撑和保障。物联网技术下的相关产品能够服务于个人健康、工业监测、智能消防、公共安全、环境保护、交通物流以及智能家居等多个行业和领域，具有技术优、质量好、成本低、专业性强，能够满足客户需求的综合性优势，能够为广大客户提供更具竞争力的产品和更好地服务。

物联网与传统的互联网相比具有很多明显的优势和特点。物联网是各类感知技术广泛应用的载体，也是建立在互联网上的一种泛在网络，具有很强的智能处理能力，能够对物体实施智能化管控。物联网通过将智能处理与传感器的有效融合，运用模式识别、云计算等多种智能技术，使得物联网的应用领域得以更好地扩展与延伸。同时物联网将传感器中的海量信息进行分析、整理、加工与处理后，形成多种能够满足不同用户需求的数据，给人们的工作和生活带来极大的便利。

从技术架构角度来分析，物联网主要分为感知层、网络层以及应用层这三层结构。感知层主要是由各类传感器及其内部网关构成，如湿度、温度、二氧化碳浓度传感器、RFID与二维码标签、摄像头、读写器以及GPS终端等。同时感知层就如同人的皮肤、眼睛、耳鼻喉等末梢神经，其能够对物体进行识别，对信息进行采集。网络层主要指的是有线网、无线网、互联网、私有网格、云计算平台以及网络管理系统等，就如同人的大脑和中枢神经，能够对信息进行传递与处理。应用层则是物联网与人、组织和其他系统等用户的接口，经过物联网与行业需求的有效结合，使得物联网智能化的作用有效发挥出来。

2 基于物联网技术的高校实验室智能管理系统设计的重要性

目前，很多高校的实验室管理都缺乏一定的机制与流程，管理的思路与理念也比较单一和局限化，实验室的利用效率不高，管理水平低下，影响高校实验室育才作用的发挥。而在近几年中，随着互联网科学信息技术的快速发展，物联网应用技术的发展速度与水平也在不断提高。在设计高校实验室智能管理系统时，应用物联网技术能够对高校实验室的各类资源进行整合与优化，达到物尽其用，能够促进实验室的管理工作更好开展与进行。与此同时，运用物联网技术来推动高校实验室智能管理系统的更好设计，能够有效地克服当前高校实验室管理方面的局限与不足，从而对高校实验室实施更加高校的管理，促进实验室的管理模式变得更加智能化、信息化与科技化，增强实验室的应用效率、效果与品质。

此外，运用物联网技术推动高校实验室智能管理系统实施科学化、合理化的设计，能够给实验室教学工作带来更多的便利，简化实验室教学流程，更易于培养与激发学生学习的兴趣，激励学生更加积极、主动的参与到实验教学活动当中来。同时对实验室管理系统实施智能化设计，对于学生创新性思维的培养与科学研究精神的提升非常有利，给学生创造更加优越和和谐的实验氛围，推动高校实验管理水平、教学水平的双向提升。

3 基于物联网技术的高校实验室智能管理系统设计的方略探究

为了能够设计出更加智能化、科学化与高效化的实验室智能管理系统，重视物联网技术的有效应用，明确实验室智能管理系统的设计目标，从整体与局部两个方面展开管理系统的设计与优化，促进高校实验室管理系统更加智能化与信息化。下面对基于物联网技术的高校实验室智能管理系统设计的具体方法与策略进行更好地探究与讨论：

3.1 明确实验室智能系统设计的目标

在展开实验室智能系统设计工作之前，高校要先对系统设计的目标进行明确，结合高校实验室当前管理的现状与局限，了解与掌握实验室中所有仪器设备的种类，并对每类设备、仪器各部件及其功能进行认知，掌握其适用的条件和环境，从而进行科学化设计与智能化管理。在运用物联网设计高校实验室智能管理系统时，要结合高校实验室的实际情况来对物联网的三层体系进行结构划分，感知层主要是获取信息，通过无线传感网络的应用，对实验室内的空气、光照度、温湿度等信息进行实时监测。同时通过扫描设备来对实验室的设备、器材等信息进行获取和快速、精准的识别，并运用无线传输技术将这些采集的信息传输到中控存储单元中。而网络层的设计主要是按照实验室实际需求来进行网络传输的设计，其设计的目标就是能够准确、快速的将数据传输到中控单元中。应用层的设计主要就是建立数据库和设计应用程序，主要目标是对采集的数据进行存储感知、加工与处理。

3.2 明确实验室智能管理系统设计的总体规划

在设计实验室智能管理系统时，要先设计一个总体框架，然后再往里面填充内容。因此，明确实验室智能管理系统设计的总体规划是非常必要的。在整个实验室智能管理系统设计体系中，应用层要与行业需求进行有效融合，这样才能够促进物联网智能应用价值的更好实现。同时Web端与手持端应用程序的设计也是不可或缺的。为了能够运用物联网技术来设计一套能够适用于实验室设备管理、环境监测以及辅助教学等功能为一体的智能化、综合性的管理系统，感知环境信息、无线传输、在线学习、数据中转以及实验设备存储等功能是必备的。将物联网层次结构理念与高校实验室智能管理系统设计进行有效的融合，以模块化或者层次化设计为基础，能够推动实验室智能管理系统设计更具内聚性和实效性。

3.3 重视实验室智能管理系统的细节设计

在明确了实验室智能管理系统设计目标和整体设计规划以后，细节设计就是该系统设计的重要环节与流程。通过对数据获取功能、集成中控以及存储功能的设计与优化，能够促进实验室智能管理系统设计目标的更好实现。下面对实验室智能管理系统细节设计展开研究与分析：

3.3.1 数据获取功能的设计

设计数据获取功能的目的主要在于都实验室内的设备信息、实际应用状态或者情况、内部环境信息等进行获取，实施采集和录入实验室设备和环境数据等信息，最后将这些信息通过网络协议传输到系统集成中控。在采集实验室内环境数据时，主要应用传感器以及无线传感网络技术，对实验室内的空气、光照、温度以及湿度等信息进行实时监测。将传感器作为系统元器件，与微控制器进行联合应用，以此来实现监测环境数据信息目标。微控制器一般运用ARM Cortex-M3，并以ZigBee模块作为无线传输，再结合传感器来感知实验室的环境数据。与此同时，实验室的设备要按照一定的规则进行编码，按设备的类型、序号、实验室号、所属楼号等按照一定的顺序和规则进行组合，构建和形成统一格式的条形编码，并借助条形编码来生成打印条码，再运用扫描枪来进行扫码来实现对实验设备信息的查看。

3.3.2 集成中控系统的设计

在实验室智能管理系统中，集成中控的作用就是传输数据，并实现对信息数据的转发与存储。在感知器接收到设备数据以及监测数据以后，运用网络协议来传输数据，将其发送到中控端。在设计集成中控系统时，必须要构建嵌入式系统，嵌入的内容主要有两个部分，其分别是软件部分和硬件部分。硬件主要是运用集成开发板，软件主要是运用Linux系统并搭建交叉编译环境arm-linux-gcc，运用这个嵌入式的操作系统来进行应用程序的设计，处理环境信息，传输数据。

3.3.3 存储应用系统的设计

在设计存储应用系统时，要对集成中控单元传输来的数据进行解析，并将解析的信息存储到数据中。再将实验课程所学的所有教育内容和资源进行录入，设置相应的访问功能。运用 SQL Server系统来对数据库进行存储与管理。与此同时，为了能够实现用户与系统的更好交互，结合不同用户的实际需求，将实验资源或者环境监测数据分享或者呈现给不同的用户，要应用PC端和手机端来给用户提供实时查询功能，而这些可查询的功能主要包括实验教学功能、设备管理功能以及环境监测功能等，学生或者教师通过手机或者电脑就可以应用在线课堂、学习资源、设备管理以及环境监测等功能，提升实验室智能管理系统设计效果与应用价值，为高校实验教学质量与效率的全面提升提供良好地基础和保障。