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物聯網技術支持下的高校智慧實驗室
發布時間：
2020-02-20
來源：
作者：
一、物聯網與智慧實驗室
隨著互聯網的普及，我國高校實驗室在設備管理、實驗課程教學與管理、開放實驗室、實驗教學資源管理等實踐教學環節基本實現了在線信息化管理，高校實驗室管理的信息化應用水平有了極大的提高。但是各高校實驗室的日常管理仍然歸口在二級學院，由二級學院完成實驗室的規劃、課程實驗教學的實施、實驗教學設備的購置等，這樣導致學院之間存在著實驗資源重復購置、實驗設備利用率低、實驗室開放范圍有限、實驗資源分散和實驗室環境缺乏有效監測和預警等問題。近年來，物聯網技術已經開始廣泛應用于智慧城市和智慧校園建設，將物聯網技術應用于高校實驗室管理，可以有效地解決高校實驗室管理存在的問題，也為全面提升高校實驗室信息化管理水平帶來了新的機遇，高校實驗室管理智慧化已經成為未來高校實驗室建設的必然發展趨勢。
物聯網(IoT，Internet of Things)是通過射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與網絡連接起來進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。[1]以物聯網技術打造智慧校園建設，為高校智慧學習環境構建帶來了誘人的機遇和挑戰，智慧教育成為全國教育信息化的發展方向。[2]
智慧實驗室是智慧校園的重要組成部分，是以物聯網為核心，利用新一代信息技術為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環境和綜合信息服務平臺，實現實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯、人員的互動協作以及開放實驗室設備資源、教學資源，科研資源的高度信息共享等。[3]
目前，部分高校已經開始打造智慧實驗室。華北電力大學現代無線通信實驗室構建了一個開放、共通的基于物聯網技術的通信實驗室平臺。[4]吳蓬勃等人利用物聯網技術開發了實驗室監管系統，主要實現了實驗室的智能課堂管理、智能電源管理、智能環境管理等功能。[5]王慧淵等人構建的智能實驗室監控系統實現了對實驗設備的遠程監管、實驗室環境的信息采集以及安全與能耗管理等。[6]利用物聯網技術，許多公司也開始致力于開發高校智慧實驗室管理系統，如智慧實驗室綜合監管系統、開放實驗室預約系統等等。本文針對地方本科高校實驗室的實際需求，探討了基于物聯網技術的智慧實驗室架構設計，為地方本科高校智慧實驗室建設提供建議和參考解決方案。
二、基于物聯網的智慧實驗室架構設計
物聯網、云計算和泛在網絡是構建高校智慧校園的關鍵技術。由于地方本科高校實驗室建設投入有限，智慧實驗室的構建要充分考慮系統的可擴展性，預留智慧實驗室擴建的接口。
智慧實驗室構架模型分成三層，即感知層、網絡層和應用層。感知層主要依靠RFID和傳感器等設備采集實驗室的環境參數。網絡層主要由有線和無線網絡基礎設施組成。應用層主要由門戶網站、實驗公共數據庫、各種實驗室智能監管系統等組成。
三、高校智慧實驗室系統設計
高校智慧實驗室系統是師生進行課程教學實驗、課程設計、科研創新、學科競賽等教學實踐的綜合平臺，系統主要由基于RFID的實驗室設備管理系統、開放實驗室預約系統、基于ZigBee的實驗室智能監控系統、智慧實驗室視頻監控系統、實驗公共數據庫、實驗教學與管理中心門戶網站等組成。
1.基于RFID的實驗室設備管理系統設計
學校對每一個實驗室設備進行統一編號，設備搬出實驗室會自動報警，利用RFID技術可以實現對設備進行定位。基于RFID的實驗室設備管理系統主要包括固定資產管理、低值易耗品管理等。固定資產管理包括設備增刪、查詢、借用、維修、統計、定位等，低值易耗品管理包括查詢、領用、統計等。
2.開放實驗室預約系統設計
師生通過網上預約實驗，使實驗員開放實驗室非常方便，實驗安排更加科學合理。開放實驗室預約系統包括權限管理、預約管理、查詢管理、門禁管理、審批管理等功能，預約管理主要是實現預約申請、預約審核、實驗進度等，查詢主要是查詢實驗室類別、實驗項目、設備狀態、預約狀況等。
3.基于ZigBee的智慧實驗室監控系統設計
基于ZigBee的智慧實驗室監控系統主要由智能設備監控系統、智能安全系統、智能供電系統、智能環境監測系統等組成。智能設備監控系統完成對實驗室大型儀器設備的遠程監測;智能安全系統完成對實驗室危險品、維護人員的監控;智能供電系統完成實驗室照明控制、遠程電源管理、電力監測等功能;智能環境監測系統完成對實驗室設備運行環境進行監測。
整個系統包括服務器、路由器、ZigBee協調器和ZigBee終端等，服務器通過實驗室監控系統實現實驗室信息管理的智慧化，并對協調器傳輸的數據進行處理。路由器負責接收終端節點采集的數據，同時將數據轉發到服務器。ZigBee協調器負責路由器或終端節點數據的轉發。ZigBee終端節點負責實驗室環境現場數據的采集。
系統的關鍵技術是設計ZigBee協調器和ZigBee終端，主要包括主控CPU、ZigBee模塊、RFID模塊、串口、傳感器模塊和門禁模塊等。
(1)主控CPU。一般選用ARM內核，如三星的 ARM Cortex-A8、ST公司的ARM Cortex-M3等芯片。
(2)ZigBee無線網絡模塊。市場上ZigBee主要芯片提供商(2.4GHz)為TI/Chipcon、Ember(ST)、Jennie、Freescale、UBEC等，ZigBee模塊一般選用CC2430/CC2530芯片。CC2430芯片集成了ZigBee射頻(RF)前端、內存和8051MCU。
(3)傳感器模塊。主要由紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等組成。
4.實驗室智能視頻監控系統設計
實驗室視頻監控系統能夠記錄進出實驗室的人員情況，實現實驗室遠程視頻監控。該系統由智能監管系統、智能預警系統等組成。智能監管系統主要包括實驗室地圖、視頻監控系統、門禁系統、巡視系統、對講呼叫系統、緊急報警系統、智能視頻分析等功能。智能預警系統主要包括應急預警、危險實驗室預警、門窗預警、實驗人員預警、用電預警、安全預警情況查詢等功能。
5.實驗公共數據庫設計
實驗公共數據庫主要是實現實驗設備、人員和場地等數據的共享和優化，包括固定資產數據庫、實驗耗材數據庫、場地數據庫、實驗人員數據庫、實驗項目數據庫等。固定資產數據庫包括設備編號、設備名稱、型號規格、生產廠家、價格、購置日期等。實驗耗材數據庫包括名稱、規格、數量、產地等。場地數據庫包括名稱、地址、所在部門、面積等。實驗人員數據庫包括姓名、性別、年齡、職稱、所學專業等。實驗項目數據庫包括實驗名稱、所屬課程、實驗學時、實驗室名稱、實驗地點、開設時間、指導教師、分組情況等。
6.智慧實驗教學與管理中心門戶網站
實驗教學與管理中心門戶網站主要是為實驗教師和學生提供一個支持實驗教學和學習的網絡教學平臺，該平臺可以對實驗資源進行合理分配和管理，是各種實驗室管理系統、教師實驗教學管理和學生學習交流的入口。
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