基于物联网的实验室智能化综合管理平台设计

2022-03-19刘永宁玉富

网络安全技术与应用 2022年1期

刘永宁玉富

刘永1宁玉富2

（1.山东青年政治学院教务处山东 250103； 2.山东青年政治学院信息工程学院山东 250103）

本文以山东青年政治学院实验室为依托，结合当前流行的物联网技术和软件开发技术，搭建了基于物联网技术的实验室智能化综合管理平台体系。该体系包括实验室综合管理系统和配套的智能物联网过程管理系统，具体由智能平台服务器及客户端和智能门禁、电子门牌、智能电源管控系统、视频监控系统4个功能系统组成。通过该平台，实现了实验室智能化管理，满足了实验教学需求，有效减轻了实验室工作负担，提升了实验室管理水平和服务水平。

物联网；智能；综合管理平台；实验室

物联网技术是新兴的热门技术，可以广泛应用于智能家居、智能交通、智能医疗各个领域[1-3]。目前，随着物联网技术的广泛应用，一部分研究人员也投入到创建基于物联网技术的智慧实验室管理系统研究中。例如，彭一明提出了构建物联、互联、智能化的智慧计算机实验室[4]。李晓茹提出了基于Arduino的智能实验室管理系统[5]。苏鑫提出了基于物联网技术的多媒体实验室智能管理系统[6]。于萍提出了基于“智慧景区”模式的旅游实验室建设[7]。当前这些研究大多停留在理论阶段，真正应用到实际场景得很少。有的研究只是提出了某种设计方案，没有投入到实际应用中，不知道应用效果是否理想[4-6]。有的研究只是针对某一种类型的实验室展开设计[7]，不具有普遍性。

本文提出了一个基于物联网的实验室智能化综合管理平台设计方案，并在山东青年政治学院躬行楼实验室改建中予以实现。平台建设的目的，旨在将物联网技术、移动互联网技术、软件开发技术等现代技术手段应用到实验室中，以构建一个开放、共享的实验室智能综合管理平台，从而提高实验室管理效率、提升实验室管理服务质量。该平台具有普遍性，可以应用到各种类型的实验室中，能够充分满足实验室管理员、教师和学生等各类用户的需求。

1 总体设计

1.1 设计要求

为了更加科学合理地使用基于物联网的实验室智能化综合管理平台，充分发挥平台效用，平台设计需要考虑以下几个方面的要求：

（1）采用浏览器/服务器架构和三层结构进行开发，平台的各种功能能够随意组合，同时平台的功能也能够按照用户的个性化需求进行深度定制和开发。平台的用户能够通过终端设备的WEB浏览器快速登录到平台进行各项管理和操作。平台要具有易用性、扩展性和开放性等优点，不仅平台的操作界面要友好，让用户易于了解平台的各项功能，易于学习掌握平台的使用和操作，并且平台要易于扩展，能够让实验室管理部门根据未来的实验室建设需要灵活扩展实验室的硬件基础设施和软件管理功能，同时平台还要具有一定的开放性，能够面向不同类型的用户开放，让各类用户都能够便捷使用到各自所需的功能。

（2）必须要保证平台数据的标准化和统一化。平台可以采用SQL Server数据库或Oracle数据库等大型数据库存储数据。数据库要基于动态数据进行设计，其数据字段能够自定义，并且能够支持与其他异构数据库之间进行数据传输。平台的各子系统/功能模块要基于同一个数据库读取和存储数据。平台要方便各种数据信息的导入和导出，使得信息交流能够方便快捷，同时还要具备网络共享性强、通用性强等优点。

（3）为方便用户对平台进行访问和操作，同时为保证平台各项功能的完整性和统一性，要求平台的各子系统/功能模块必须基于统一的用户界面，同时要求所有子系统的界面风格和操作方式必须保持一致。

（4）平台必须遵循学校的统一信息化标准，平台的数据接口能够开放，同时能够与学校的教务系统、资产管理系统、一卡通系统等多个相关系统进行数据共享和数据交换。

（5）要保证平台数据传输的可靠性、安全性和便捷性。为此，智能数据采集终端设备和智能电源控制终端设备需要采用智能物联实时通信接口。该通信接口采用TCP/IP通信协议进行开发，能够支持数据校验和重发机制，从而保证数据传输的可靠性，并且要采用加密算法，从而保证数据传输的安全性。

1.2 设计方案

根据上述设计要求，设计的基于物联网的实验室智能化综合管理平台的体系结构如图1所示。平台的体系结构包括实验室综合管理系统和智能物联网过程管理系统，其中实验室综合管理系统由智能平台服务器及客户端组成，智能过程管理系统由智能门禁、电子门牌、智能电源管控系统、视频监控系统4个功能系统组成。

2 平台组成

2.1 智能物联网过程管理系统

智能物联网过程管理系统由以下4个功能系统组成：

图1 基于物联网的实验室智能化综合管理平台实施方案的体系架构

（1）智能门禁。主要包括智能锁、闭门器以及转换电源等。用户在刷卡时，进行严格的身份认证和准入时间认证，同步判断用户身份，控制实验室门禁开关门，合法的用户可以直接刷卡进入该实验室，不需要用户再单独去获得实验室门禁授权。智能门禁需要与电子门牌配套使用。

（2）电子门牌。网络方面采用因特网的TCP/IP标准通信协议，电子门牌可以直接接入实验室智能综合管理平台的组网交换机，无需通过中间设备进行转接，能够实现跨路由通讯。硬件采用独立的中央处理器、存储器、触摸式屏幕显示器、输入输出和网络模块。软件方面采用内嵌式操作系统并具有智能数据采集、设备电源智能控制和门禁授权控制等功能。电子门牌可以支持指纹识别、刷卡解锁、密码解锁等多种开门方式，可以按需显示实验室基础信息、实验室展示信息、实验室安排使用信息、实验仪器设备信息等，可以进行人机交互，支持用户预约实验室或设置门禁密码。

（3）智能电源管控系统。该系统需要使用智能电控箱作为配套设备来控制实验室各类设备的电源开关。该系统能够通过网络远程的方式对各个实验室的仪器设备进行电源管理和控制，并能够对所有实验室的仪器设备电源开关进行集中管理。该系统能够对实验室仪器设备的使用授权进行认证，并实时采集实验仪器设备的使用时间等信息，并将所有信息进行汇总。智能电控箱与智慧电子门牌联动，可以通过预约、刷卡等方式自动开关实验室的总电源。

（4）视频监控管理。视频监控系统分为硬件和软件两个部分。硬件包括监控室、各实验室的网络摄像机以及以太网、网络交换机、网络硬盘录像机、监控级硬盘等。软件则被内嵌至实验室智能综合管理平台中，从而保证能够视频监控系统与平台进行联动。各级系统管理员用户只要通过互联网登录到平台，就可以根据分配操作权限对所管实验室进行浏览和控制。视频监控系统还具有权限管理功能，能够设置用户角色，并可以按照用户角色为各级别平台管理员用户分配操作权限，如超级管理员可以查看所有实验室，学院的实验室管理员只能查看所管理的实验室。

2.2 实验室综合管理系统

实验室综合管理系统主要由以下几个模块组成，模块及功能如下：

（1）实验室开放。本模块主要是针对实验教学计划以外的实验项目进行实验室开放管理。实验室管理员可以根据实验室实际使用情况灵活地对实验室的开放时间和开放用户范围进行设置，同时还能够对其他一些重要参数，例如实验室预约使用时间、实验室预约审批方式、实验室容纳人数等进行设置，从而能够因地制宜地满足各类实验室的开放需求。教师或学生可以登录到平台查看实验教学中心各实验室开放情况，并可以在线申请预约实验室。实验室各级管理员可以登录到平台对预约的实验室进行审批。平台支持多种审批方式，包括邮件审批、自动审批、多级别审批等。

（2）实验教学管理。本模块包括实验教学信息管理、实验教学排课及预约、实验教学过程管理、网上学习、教学质量管理等。该模块可以对学生的学习情况进行监控，并可以实现自动记录学生考勤情况。学生可以在线撰写提交电子实验报告，教师在线批改学生的电子实验报告并打出分数，平台能够根据权值自动汇总和计算出学生最终的实验成绩。教师还可以提前上传下节实验课用到的实验资料，学生登录平台查看资料，进行自主学习。该模块实现了教学智能化管理，提高了学生学习的主动性和积极性，产生了良好的实验教学效果。

（3）仪器设备管理。本模块包括实验仪器设备的基础信息管理和实验仪器设备的借用管理。实验仪器设备的基础信息管理可以记录实验仪器设备的基本信息，包括实验仪器设备的编号、分类号、名称、型号、规格、数量、单价、所属部门、存放地点等详细信息。实验仪器设备的借用管理包含实验仪器设备的借出申请、借出登记、借出归还等功能以及实验仪器设备的信息查询和统计等。

（4）实验耗材管理。实验耗材管理主要是指低值易耗品管理。该项工作在实验室日常管理工作中是一项工作量非常巨大且极其烦琐的工作。本模块主要包括实验耗材的入库、出库、查询、统计等。该功能模块可以有效地监控实验耗材的使用情况，帮助实验管理员对耗材使用情况进行统计分析，并杜绝实验耗材闲置、浪费的现象发生。

（5）统计报表管理。本模块可以综合查询学校的实验教学中心数量、实验教学中心下的实验室数量、实验室房间数量及实验室房间使用面积、实验室仪器设备台（套）数及实验仪器设备总值、实验室管理队伍等信息。该模块还可以对实验室基本信息、实验室管理队伍信息、实验室开放信息、实验室实验仪器设备信息、实验室门禁刷卡记录信息等进行查询和统计。

（6）安全准入管理。本模块是为建立实验室安全准入机制而专门开发出来的功能模块。该模块要求学生在进入实验室之前，先要通过对实验室的安全与规范进行系统的认识和学习，经考试合格后，才允许进入实验室进行实验操作。学生可以通过在线学习和模拟训练，掌握各类化学、机械、电气、生物、辐射、危险品、消防等实验室安全知识。

（7）实验室管理。本模块可以提供实验教学中心、实验室、实验室下属分室三级管理。该模块能够创建实验室基本信息，包括实验室编号、实验室名称、实验室级别、实验室类型、实验室所属学科、实验室所属实验教学中心、实验室建立时间、实验室管理员等信息。同时还可以创建实验室用房基本信息，包括房间号、房间名称、房间类型、房间使用面积、所属实验室等信息。

（8）实验室队伍管理。本模块可以提供实验室管理员基本信息的维护、浏览及检索功能。平台管理员可以单独或批量指定专职或兼职实验室管理员，同时可以指定管理人员的角色以及为其分配操作权限。

（9）信息发布管理。本模块采用网站形式，能够发布信息并具有交互功能。该网站能够发布和管理各实验教学中心的实验室资源现状、实验室开放预约信息、实验教学信息、实验室规章制度、新闻等以及能够自动生成动态数据信息。学生可以登录网站、修改密码，可以在线预约实验室和实验仪器设备，还可以查看实验室及实验仪器设备等资源信息。平台管理员则可以登录到网站后台对网站进行维护，并发布实验室资源现状、规章制度、新闻等各类信息。

（10）其他管理。此外，平台还具有基础数据管理、系统设置管理等功能。基础数据管理主要是对实验室信息、实验仪器设备信息、学生信息和教师信息进行管理。这些信息可以在平台中创建，也可以从其他系统中直接导入。系统设置管理功能主要是设置学校名称、学期起止时间以及平台的使用角色与权限，不同的角色具有不同的管理权限。