基于物联网的实验室智慧化管理系统研究

王鑫

（贺州学院人工智能学院，广西贺州，542899）

0 引言

物联网是以互联网技术为依托，并有效结合网络通信技术，使具有一定功能的物体之间实现连接通信的网络。物联网能够通过传感器等设备的接口实现物体和互联网之间的通信连接，从而进行信息传递和处理。物联网的利用实现了物体的数字化管理，具有广泛的应用范围。物联网可以实现物体之间的连接，通整各种信息，在智能化环境的管理方面具有良好的前景[1]。随着信息化技术的发展，很多场所以及场景的管理工作已经实现了智能化的转变，而实验室作为技能型、专业型、创新型人才的培养基地，其管理和建设成为一切工作开展的基础。实验室智慧化管理系统能够帮助实验室工作人员实现实验室的信息化和智慧化的管理，从而提高实验室的管理效率，促进科学研究和实验教学活动的积极发展，最终实现技能型人才的培养。实验室智慧化的管理工作主要是对实验室中各种信息的管理，包括实验室的仪器设备以及人员的管理等[2-3]。

1 智慧实验室研究现状与发展状态

实验室是学校培养学生实践能力和专业技能的重要场所，对于技能型、专业型、创新型人才的培养至关重要。实验室的智慧化建设是实现校园智慧化建设的重要部分，对于智慧校园的建设不可或缺。实验室智慧化的实现需要建立能够全面化、智能化感知实验室的各种信息的服务平台，以物联网技术为依托，结合信息化技术，实现实验室设备之间的互联以及实现管理人员和实验室设备之间的互联等，达到智能化、安全化、可视化管理实验室的目的。实验室智慧化实现了实验室、物联网和智能设备之间的有机融合，以实现实验室管理系统的创新性、开放性和协作性为目标，能够有效帮助学生和实验室其他人员信息资料的快捷获取，提供良好的学习和实验氛围，分析整合信息资源并加以利用。目前为止，国内外有关实验室智慧化的研究主要包括：实验室智慧化的实现、实验室智慧化实验功能的研究以及实验室智慧化的应用效果研究等多个方面。随着科学技术的不断发展，实验室中各种新的技术不断涌入，另外实验室设备、技术等不断更新，智慧化实验室更加注重使用人员的体验以及使用效果，在实验教育过程中实现了实录和视讯的有效结合，更有利于实验室人员之间的信息交流和资源共享。

高校在实验室的建设中投入大量的人力物力，但是目前为止实验室智慧化管理系统并不完善，主要问题体现在多个方面。例如，实验室资源的管理方面以及实验环境的监测和管理方面等。这些问题的存在说明了实验室的安全管理缺少智能化，实验室资源浪费，实验室缺乏一定的安全教育以及培训工作，实验室信息资源的管理缺乏共享等。

2 智慧化管理系统

实验室智慧化管理系统以互联网技术为基础，利用物联网技术等现代化的技术实现对实验室的监测和管理，整体系统以物联网技术为依托，建设智慧化管理系统，实现对实验室的智能化、可视化的管理，从而保证实验室环境的低能耗、绿色化和智能化。实验室仪器设备、实验人员以及信息资源之间的信息资源交互均通过实验室的智慧化管理系统实现，不需要过多的依靠实验人员的操作。

2.1 系统整体框架

实验室智慧化管理系统以物联网为依托，主要包括三个层面的结构，分别为物理层、通信层和应用层。物理层主要包括传感设备，通过各种传感器采集实验室的各种数据信息，并将其传送至通信层；通信层将接收的数据通过网络发送至互联网；应用层则通过服务器接收来自互联网的数据信息，并将其加以分析、处理、保存和展现。实验室智慧化管理系统的主要架构如图1所示。

图1 实验室智慧化管理系统架构

2.2 系统功能架构

基于物联网的实验室智慧化管理系统由多个子系统构成，主要有门禁系统、监控系统、查询系统、考核系统、资产管理系统等。通过现代化信息技术将各个子系统进行有机结合，实现对实验室整体环境以及人员、设备的智慧化、高效性、便捷化、安全性的管理。实验室智慧化管理系统的功能架构如图2所示。

图2 实验室智慧化管理系统的功能架构

门禁系统：实验室智慧化管理系统的门禁系统主要是保障实验室安全，防止外来人员和非工作人员的侵入，确保实验数据的安全和财产安全。另外，借助门禁系统，还可以监测和记录学生的学习过程，教师通过学生的出勤情况和学习记录充分了解学生的学习过程和学习记内容，提高教学质量。

智能监控系统：智能监控系统主要用于监测实验室的环境，保证实验室安全，在实验室遇到突发状况或者故障时，监控系统中的检测模块将异常信息发送至监控系统从而引发警报，并将异常信息上传至总系统，提醒管理人员采取相应措施，保证实验室环境的安全管理。

查询系统：通过查询系统可以查询实验室的湿度、温度、压力值、氧气浓度等参数，这些参数可以直观地体现实验室中存在的问题，从而便于实验室管理人员对实验室进行管理、改善，提高实验室的安全性。

考核系统：实验室发生事故或者安全隐患的主要原因除了设备等故障外，主要还是由实验人员知识匮乏、处理不当、操作错误等造成，目前高校对于实验室的管理工作协调度差，导致实验室的管理工作不到位。实验室考核系统可以在实验人员进入实验室进行操作实验之前对其进行考核，考核通过的人员方可进入实验室。这种方式促进了实验人员的自主学习，使实验人员具备一定的知识储备，避免在实验过程中因操作不当导致事故的发生。

资产管理系统：实验资产管理系统利用物联网技术，对实验室的仪器设备等固定资产进行自动、实时的统计和管理，实现了对实验室固定资产的高效管理，解决了实验室资产管理困难等问题。

3 实验室智慧化管理系统的优点

3.1 降低实验室管理工作量

实验室智慧化管理系统可以进行实验室课程和值班工作的智能化安排，改变了原来的工作模式，提高工作效率；实验室的智慧化管理系统与智慧校园的各个系统之间相连接，可以实现各种数据的交换和共享，尤其是在期末数据的传输和整理工作中，避免了教务系统和实验室系统之间数据不同步的问题，减少了教务系统工作人员的工作量；实验室的智慧化管理系统中包含了多个子系统，可以实现实验环境的检测、资产的高效管理，使实验室参数、数据的查询更加便利；实验室智慧化管理系统的建立，学生利用校园卡便可进行相关仪器的使用和操作，减少了实验室管理人员的工作。

3.2 提高了实验室的安全性

实验室智慧化管理系统中的监控系统，便于实验室管理人员及时了解实验室的环境参数，及时发现和解决问题；监控系统可以便于管理人员通过监控管理实验室的固定资产，避免丢失；监控系统便于管理人员了解学生的实验情况，对于违规操作等做到及时发现、及时制止，保证实验安全；对于实验药品的监控，可以保证有毒药品的安全使用，避免违法使用以及安全事故的发生；通过监控系统可以及时了解仪器设备的使用状态，提高实验仪器的管理效率和使用效率，同时可以避免忘关仪器等大意造成的意外事件，保证实验仪器的安全性。

3.3 为实验人员提供便利

实验室智慧化管理系统中的应用层面中包含了由手机、电脑等组成的移动客户端，实验室人员可以利用移动客户端实时查询实验室仪器的使用状态，便于及时进行合理安排，预约仪器进行相关实验；另外实验人员在使用实验室设备时需要刷开操作，因此在系统服务器中会有学生的签到、使用记录，可以方便老师等管理人员及时了解学生的实验进度和出勤情况等，节约了教师和管理人员的时间。

3.4 保证实验数据的科学性、准确性

大多数高校在实践教育和实验室管理等方面存在多种问题，为了保障实验工作的顺利进行，各高校均进行了相关制度和操作规范等的制定，然而，并没有得到实质性的执行，而实验室智慧化管理系统的建设，可以实现对实验室各种设备、制度等的系统控制，实现信息数据的共享，以及合理化、规范化的管理工作。智慧化管理系统中各子系统的建立可以帮助实验室管理人员及时了解仪器设备的使用状况，同时对实验数据进行保存记录，便于高校对管理人员以及使用人员的考核，了解学生的实验情况以及实际需求，为实验室的改善和建设提供意见。

4 结语

实验室是高校开展实验教学、科学研究，培养专业型和技能型人才的主要场所。传统的实验室管理工作繁琐复杂，在管理工作中暴露出较多的问题，例如实验室事故频繁发生、仪器设备故障、信息更新不及时、管理效率较低等。实验室智慧化管理系统的建立，以物联网技术为依托，利用现代化信息技术手段，对实验室进行智慧化管理，解决了传统实验室中存在的多种问题，实现了对实验室的可视化监控。实验室智慧化管理系统对实验室的安全实现全方位的保障，实现了实验室管理工作的智能化，减少了安全事故的发生，对于实践教育有重要意义。