实验室远程监管系统构建与应用

李成勇，王 莎，王 乐，肖欣悦

（重庆工程学院 电子信息学院，重庆 400056）

实验室智能化管理已成为当今实验室建设主流趋势，对实验室管理提出了更高的要求。但目前仍存在一些问题急需解决，主要体现在：（1）实验室涉及工作覆盖面广，参与人员多，协调管理难度大[1]。（2）使用人数大量增加，实验室资源严重不足，用户不能自由进入实验室，不能自由使用实验设备[2]。（3）实验环境和实验设备条件有限、经常出现无人使用的仪器在运行，造成资源浪费[3]。（4）高校各实验中心的特点、内容不尽相同，独立网站建设费时费力，难以整合，管理人员对实验过程难以全程监控[4]。这些问题导致目前实验室管理难度大，管理困难。

目前，很多实验室采用了智能化的管理，但是很多方面还存在一定的缺陷，在实验室设备使用、实验室管理、控制等方面还存在很多问题，所以改善实验室的监管非常重要，本文叙述了实验室监管系统的设计、实现原理及方法。

1 远程监管系统设计原理

该系统采用智能控制技术、网络技术和无线通信技术，对实验室进行智能监测管理，提供高效、准确的数据和控制。通过Arduino 2560控制无线模块[5]、温湿度传感器、RFID无线射频技术、人体红外、烟雾传感器及手机远程智能控制[6]，实现全智能实验室控制。

远程监管系统设计框图如图1所示，其实现的原理及工作的全部过程为：从控制端通过传感器采集实验室的温湿度、烟雾度、人体红外探测的状态等信息，然后发送到主控制端，经过主控制端的数据分析后，发出相应的命令，然后再从控制端进行相应的系统处理。

图1 远程监管系统设计框图

2 远程监管系统介绍

智能实验室监管系统主要功能包括：实验室自动化、智能化、便捷化管理；对实验室使用情况、软硬件设备等数据进行实时监控； OneNET平台远程控制实验室设备，掌握实验室使用情况；检测实验室温湿度，并且上传至OneNET平台[7-8]。

智能实验室监管系统的特点有：

（1）管理方便。管理人员在后台即可掌握实验室的整体情况，自动生成实验使用记录。

（2）提高教学质量。学生课前可以提前预习，课后进行巩固。有利于促进教学方法的改进。

（3）提高使用率。学生或教师提前预约，预约成功后即可在预约的时间里使用实验室，使实验设备得到充分利用。

（4）远程监管。管理员可以通过OneNET平台实现远程监控、远程控制。

3 远程监管系统硬件结构设计

系统硬件部分设计采用 RFID无线射频技术作为实验设备的标识、门禁系统以及设备使用系统；实验室开放管理，使用一卡通经过实验室区域的门禁刷卡，每个刷卡器都可记录实验室的使用情况，设计安装红外传感系统检测实验台使用情况、控制室内灯光开关[9]，并且与OneNET平台相连接。系统可自动记录实验室用户的考勤，自动生成实验运行记录，准确统计用户使用时间。减轻实验室人员的工作量，准确客观地统计出实验室及大型仪器设备的使用时间。远程监管系统硬件结构如图2所示。

图2 远程监管系统硬件结构图

4 远程监管系统软件结构设计

软件主程序主要完成对实验室温湿度、烟雾度以及安全状态的检测分析，并远程发送给OneNET平台存储，通过 RFID门禁控制、人员识别[10]、仪器仪表、实时查看实验室使用情况。软件设计在Arduino集成开发环境下进行，根据程序流程图的思路编写程序。图3为安防单元流程图。图4为照明单元流程图。图5为检测单元流程图。图6为RFID控制单元流程图。

图3 安防单元流程图

图4 照明单元流程图

图5 检测单元流程图

图6 RFID控制单元流程图

5 实验室远程监管系统的应用

5.1 操作步骤

实验室远程监管系统是借助于OneNET平台完成学生信息注册、实验室预定、实验项目选取及预约情况查看等功能。操作步骤如下：

（1）学生注册信息。在浏览器里进入OneNET平台首页界面。选择“注册/登录”，进入界面后，点击最下边的“注册”按钮，输入学号、姓名、所在学院等信息完成注册。

（2）学生登录。进入“注册/登录”界面，输入注册时的学号和姓名，选择所在学院点击登录。

（3）学生预定实验室及实验项目。进入界面后，在实验室列表里选择自己需要的实验室，同时可以点击“实验室详情”按钮查看实验室具体情况及所开设的实验项目。如果确定是所预约的实验室，点击进入实验项目选取，进入实验项目列表，选择需要预约的实验项目，选择做实验的时间日期，直接点击“预约”按钮完成预约。

（4）提交预约信息。预约完成后，点击“提交”按钮，就可以把预约实验室及实验项目相关信息发送到实验室远程监管系统。

（5）实验室准备。预约时间，启动系统，WiFi模块能与OneNET平台连接、WiFi模块连接指示灯亮并且与 OneNET平台连接成功。室内设备上传至OneNET平台，能通过OneNET平台下发指令从而控制室内设备。包括实验室开门、实验设备通电等，显示屏能正确显示当前状态，安防单元对实验室内状态实时进行监控，照明单元实现室内照明系统的智能化控制，人进灯亮，人走灯灭。温湿度测试单元对室内情况进行监控，以便后台统计，RFID对实验室进行管理。

5.2 结果分析

本系统服务的开放实验室及实验项目主要包括 5个电子信息专业基础实验室，即电工技术实验室、电子技术实验室、单片机与接口技术实验室、信号与系统实验室及通信原理实验室。各个实验室所包含的实验项目如表1所示。

5.2.1 实验室利用率

在使用实验室远程监管系统前，通过对5个实验室的使用率统计如表2所示，以一个班50人计，按要求每人都要完成实验室任务。使用实验室远程监管系统通过预约完成实验项目后的实验室利用率如表3所示。

通过对比实验室利用率，可以得出学生自主管理效果明显提升，学生对实验室项目选择性更大，利于学习。

5.2.2 实验室管理效率

在使用实验室远程监管系统前，5个实验室均需专人管理。使用实验室远程监管系统通过预约完成实验项目后的实验室利用率得到提高。使用实验室远程监管系统前后的管理效率见表4。

表1 实验项目列表

表2 使用实验室远程监管系统前利用率

表3 使用实验室远程监管系统后利用率

表4 使用实验室远程监管系统前后的管理效率

通过对比实验室管理效率，可以得出实验室自主管理效果明显提升，系统对实验设备情况实时控制，发现问题及时反馈，有利于设备维护。

6 结语

本文设计了一款实验室远程监管系统，智能化的实验室远程监管系统以提高使用效率、保护安全、优化实验室管理为目的。远程监管系统的使用，实现了实验室的智能化、无人化管理，使用灵活方便，可实现共同管理、集中控制、节约资源、实现资源共享。