高校实验室智能管理系统建设及应用问题探究

张宏瑞,张 蝶

(1.武汉船舶职业技术学院,湖北 武汉 430000;2.武汉轻工大学,湖北 武汉 430023)

0 引言

实验室不仅是学生开展实验学习的重要阵地,而且也为高校的科研工作创造了可靠保障,只有确保实验室内各项功能的完备性,才能真正提高教学水平,为各个使用人员提供良好的条件。 实验室管理工作具有一定的复杂性和综合性特点,涉及人员管理、环境管理和设备管理等等,因此对于管理人员提出了更高要求。在智能化时代下,以智能管理系统为依托,提高高校实验室管理水平,解决传统人工模式下的局限性问题,方能真正体现实验室的核心价值及作用。 在智能管理系统建设中,相关人员应考虑到实验室的基本特点和使用需求,要确保系统功能的适用性,为师生提供更好的服务。

1 高校实验室智能管理系统建设的必要性

随着学生数量的增多,给实验室管理工作带来了新的挑战,管理人员需要做好详细的计划,以保障教学和学习任务的顺利推进。 在传统管理体系下,由于缺乏协调性和组织性,会出现多人共用一台设备的情况,资源利用率不高,而且会造成数据信息的丢失,教学及科研工作无法达到预期效果。 而随着智能管理系统在工作中的广泛应用,使得上述问题得到有效处理,可以结合实际工作计划提高实验室管理工作的协调性,在统筹兼顾下合理安排各项教学任务和科研任务。 高校对实验教学的重视程度逐步提高,实验室设备的数量和类型也在增多,这是实验室管理的主要对象,在传统管理模式下会加大管理人员的负担,浪费大量的人力、物力和财力等。 而应用智能管理系统时,可以实现设备仪器的快速分类,帮助学生和教师详细掌握设备仪器的使用信息,加强对整个使用过程的动态化监督,防止出现损坏和丢失的情况。 保障良好的安全性,是实验教学和科研工作的基本要求,在智能管理系统的支持下,可以及时发现实验中存在的安全隐患,并且当相关参数超过阈值后能够及时发出警报信息,及时提醒相关人员撤离,为安全管理工作奠定基础,避免发生严重的事故问题。 高校实验室智能管理系统如图1所示。

图1 高校实验室智能管理系统

2 高校实验室智能管理系统建设策略

2.1 系统框架

2.1.1 门禁管理与考勤模块

门禁管理模块的设计,可以有效保障实验室管理的规范性和秩序性,维持良好的教学及科研工作秩序,该模块包括了门禁控制器模块、电源模块、NFC 读卡模块和电控锁模块等。 系统运行供电主要依靠电源模块,近距离无线通信技术的应用,可以通过快速扫描校园卡的方式识别学生信息。 无线节点中引入ZigBee 模块,有助于提高信息传输的效率,CC2530 的控制效果更好,组网能力优越,降低外界因素对通信过程的干扰。 电控锁电源主要由继电器模块实施控制,可以满足快速闭锁和开锁要求。 尤其是随着智能手机的逐渐普及,为门禁管理和考勤管理提供了便利,教师可以运用手机App 及时获取学生的考勤情况和实验室状态,包括了闭门状态和开门状态等,及时发现其中的问题并进行处理,达到远程管理的要求。 门禁管理系统如图2 所示。

图2 门禁管理系统

2.1.2 环境参数采集模块

实验工作对于室内环境因素的要求较高,如果环境参数出现较大的波动,则有可能对最终的实验结果造成干扰,因此在设计工作中也应该加强关注。 环境参数采集模块是智能管理系统中的关键组成部分,可以针对光照信息、PM2.5、温度、湿度等实施快速采集和动态监测,为管理人员提供更多的参考,以便及时调整实验计划,降低环境因素的影响。 传感器模块和ZigBee 模块等共同组成环境参数采集模块。

2.1.3 控制模块

智能管理系统的控制模块主要包括了窗帘控制模块、视频监控模块和智能空调控制模块、灯光控制模块等等。 在ZigBee 模块、控制电机、电源模块和继电器模块的支持下,智能管理系统可以达到智能管理的基本要求。 比如管理人员能够通过远程操作的方式对实验室内的窗帘和灯光实施管控,呈现出良好的联动效果。结合实验工作需求,空调系统的智能化开关控制和温度、通风控制,能够改善实验室内部环境,满足师生的工作与学习需求。 在管理平台当中,管理人员可以运用视频监控功能更加直观地看到实验情况,在出现问题后也可以回看视频录像,强化了对整个过程的监督效果,防止出现安全问题。

2.1.4 系统网关

无线节点通信服务和无线节点与服务器的通信服务,是网关提供的网络通信服务类型,前者实现了ZigBee 网络无线节点和Sink 节点的快速通信,后者借助于Socket 网络协议提高通信效率与质量。 ZigBee芯片和TP-Link WR703N 路由器的联合应用,可以改善物联网网关的使用效果,满足了协议转换的需求,同时接入能力更强。 在OpenWRT 操作系统的支持下,能够实现模块化管理,自动化水平更高,为系统功能扩展创造了条件,符合当前智能管理系统的设计要求[1]。 物联网网关的设置,与数据中心服务器的网络通信更加便捷,可以达到实验室的智能化管理标准。

2.2 应用平台

2.2.1 用户信息管理模块

用户信息管理模块是应用平台中的主要模块,可以针对师生的基本信息进行采集和记录、存储,同时在人员流动的过程中实施智能化管理,防止在实验室造成混乱问题,有助于减轻工作人员的负担。 用户信息管理账号的设置,需要设定相应的权限,以保障整个操作过程的安全性。 用户信息管理模块可以满足工作人员的信息修改、删除和添加、查询等要求;还能针对实验室使用人员的变动情况进行实时化调整,提高实验室的动态化管理水平,预防诸多意外状况,保障使用人员的安全[2]。

2.2.2 设备信息管理模块

高校实验室内部的实验设备较多,而且不同设备的结构特点和原理、使用方法等存在较大的差异性,这也是实验室管理工作中的主要难题。 在智能管理系统建设中引入的设备信息管理模块,实现了分类管理和精细化管理的目标。 尤其是物联网技术能够结合不同设备的使用需求实施智能化控制,为使用人员提供个性化服务的同时,避免了设备在使用过程中出现丢失和破坏的状况。 在设备购置过程中,管理人员需要及时在系统当中录入设备基本信息,使用中做好设备信息和人员信息的快速登记,以便在出现意外状况时能够及时溯源。 在实验设备达到报废标准后,管理人员要及时在系统中删除设备信息。 RFID 技术在设备信息管理中的应用较多,通过扫描设备标签就可以更加快速地获取其基本信息,包括了使用状态和运维状态等等。

2.2.3 节点信息与环境信息管理模块

智能管理系统中的无线模块数量较多,可以在节点信息管理模块的帮助下实现统一化集成管理。 运用物联网技术可以提高智能化控制水平,同时满足未来工作中的系统扩展需求,为高校教学和科研工作的可持续发展奠定保障。 在该模块的支持下,删除和添加相关节点信息更加高效,这在系统功能开发中发挥着至关重要的作用,有利于降低系统建设成本,模块设计与开发效率也更高[3]。 在信息管理模块的支持下,实验室内部的环境信息可以实现高效化采集与处理,得到更加可靠的环境信息分析报告,在决策过程中获得更加可靠的参数。

2.2.4 门禁和考勤管理模块

结合不同班级的课表情况,加强实验室的门禁及考勤管理,教师和学生可以通过刷卡的方式进入实验室,实现了不同班级和使用人员的有效协调,在实验室管理工作中更具秩序性,防止在使用时出现冲突和矛盾问题。 各类实验设备和实验平台的组织分配也会更加合理,避免对学生的实验学习产生负面影响,该模块也可以自动化记录实验设备的使用情况,以便帮助教师对学生实施考勤管理,为评价工作提供更多信息[4]。同时,预约功能也可以满足学生在课后自主学习的需求,提高实验室利用率。

2.2.5 系统信息管理模块

在智能管理系统建设中,系统信息管理模块具有核心作用,可以更加高效的管理系统权限,比如功能设置、用户设定和操作者角色定义等,避免出现误操作而对实验室智能管理系统的安全性造成威胁[5];可以针对实验室的各项数据实施自动化备份处理,确保在出现意外情况时能够及时启用备份数据,避免造成严重损失。

3 结语

高校实验室的有效管理,可以确保各项实验项目的顺利推进,降低对实验结果的干扰,提高高校办学水平和科研能力,为教师和学生创造良好的使用环境。智能管理系统的应用,符合当前现代化管理的要求,可以解决传统管理模式的局限性问题。 在系统架构方面,应该以门禁管理与考勤模块、环境参数采集模块、控制模块和系统网关为重点,确保系统功能符合实际使用需求。 在应用平台设计中,要加强对用户信息管理模块、设备信息管理模块、节点信息与环境信息管理模块、门禁和考勤管理模块和系统信息管理模块等设计环节要点的控制,以改善系统运行成效。 此外,相关人员还应该通过转变传统观念、完善制度体系和提高人员素养等途径,充分发挥智能管理系统的应用价值。