崔 貫 勛

(重慶理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

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·實驗室建設(shè)與科學(xué)管理·

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

崔 貫 勛

(重慶理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

探討了當(dāng)前高校實驗室管理中存在的問題，以先進的管理理念為指導(dǎo)，結(jié)合當(dāng)前高校實驗室管理工作中的實際情況，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計思想及實現(xiàn)思路。該系統(tǒng)包括教學(xué)管理、開放管理、學(xué)生管理、教師管理、實驗課程與實驗項目管理、儀器設(shè)備管理、實驗耗材管理、電源與安防管理等相關(guān)模塊，并和學(xué)校一卡通管理系統(tǒng)互通，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用智能手持終端技術(shù)，實現(xiàn)了實時高效地對實驗室進行全方位的監(jiān)管。該系統(tǒng)的運行使得高校實驗室開放管理工作更加科學(xué)化和制度化，提高了實驗室資源的使用效率，降低了實驗室的能耗，大大提高了管理工作效率和服務(wù)水平。

智能； 綜合管理系統(tǒng)； 物聯(lián)網(wǎng)； 實驗室

0 引 言

實驗室是學(xué)校、科研機構(gòu)開展人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會服務(wù)活動的必備的場所，也是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力最重要的基地，其建設(shè)和管理水平將對高校的教學(xué)和科研產(chǎn)生重要的影響，因此，管理部門也將實驗室作為對高校的評估考核和高校新專業(yè)申請等工作的一個重要指標(biāo)。但與此同時，高校實驗室也存在著以下兩種情況：①政府部門和高校都紛紛加大了對實驗室的投入力度，不但大量的陳舊設(shè)備得以更新，大量的高精尖等先進儀器設(shè)備也進入了高校的實驗室。②高校在校生的規(guī)模急劇擴大，這種情況在非985、211高校尤為明顯，實驗室的管理工作量也大大增加，而管理人員在面臨教學(xué)、科研和評職稱的壓力下，對實驗室管理上投入的精力與需求的差距越來越大，實驗室隊伍建設(shè)的速度遠(yuǎn)跟不上實驗教學(xué)工作量和實驗儀器增加的速度，人員結(jié)構(gòu)和數(shù)量已遠(yuǎn)跟不上形勢的發(fā)展，有些高校的實驗室忙于應(yīng)付計劃內(nèi)開設(shè)的教學(xué)實驗，造成設(shè)備資源的嚴(yán)重閑置，其利用率和產(chǎn)出沒有得到有效發(fā)揮[1]。為此，結(jié)合高校實際情況和實際需要，研究開發(fā)了“基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過建立教學(xué)管理、開放管理、學(xué)生管理、教師管理、實驗課程與實驗項目管理、儀器設(shè)備管理、實驗耗材管理、電源與安防管理等相關(guān)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了實驗室全方位的智能化管理，大大降低了以往由人工操作帶來的實驗教學(xué)管理工作繁瑣、失誤較多、管理效率和水平低下、設(shè)備利用率低等現(xiàn)象。

1 高校實驗室管理中存在的問題分析

(1) 實驗室安全隱患多。隨著高校學(xué)生規(guī)模的急劇增加，實驗室的教學(xué)和科研活動日益頻繁，在實驗室專職人員和實驗場地嚴(yán)重短缺的情況下，課外開放實驗室供課堂上沒有完成實驗的同學(xué)繼續(xù)實驗以及學(xué)有余力的學(xué)生開展創(chuàng)新性、綜合性實驗提供必要的條件和研究生、本科生參與到實驗室管理的工作的情況日益增加，學(xué)生參與管理工作可以提高學(xué)生的相關(guān)能力和降低實驗室管理人員的壓力，但學(xué)生的實驗室管理經(jīng)驗遠(yuǎn)不及老師，在老師不在場的情況下，學(xué)生違規(guī)操作，不嚴(yán)格按照步驟進行實驗的情況時有發(fā)生，而有些實驗的過程和實驗材料危險性非常高，甚至?xí){師生的人身安全[2]。

(2) 實驗室?guī)熧Y隊伍建設(shè)跟不上建設(shè)的步伐。在高校，實驗室?guī)熧Y隊伍得不到應(yīng)有的重視，實驗技術(shù)人員往往屬于教學(xué)輔助人員，他們的能力往往通過自己的慢慢摸索實踐得到提升，很少有出去培訓(xùn)提升的機會，在職稱評定、項目申請、科學(xué)研究、進修提升等方面遠(yuǎn)低于教師崗位，使得有能力、學(xué)歷高、素質(zhì)高的人員不愿加入實驗隊伍[3]。目前的實驗隊伍總體上存在學(xué)歷偏低、年齡老化、職稱低的現(xiàn)象，而一些先進的高精尖設(shè)備對管理人員的要求較高，而這些人員對新技術(shù)的接受能力較弱，管理跟不上，甚至出現(xiàn)了設(shè)備買回來無人管理造成設(shè)備嚴(yán)重閑置的現(xiàn)象。

(3) 實驗室管理水平跟不上迅猛發(fā)展。近年來，各高校加大了實驗室建設(shè)投入力度，中央與地方共建實驗室、“211工程”建設(shè)經(jīng)費、“985工程”建設(shè)經(jīng)費、重點學(xué)科經(jīng)費、國家重點實驗室經(jīng)費等投入了巨資，面對實驗室建設(shè)的飛速發(fā)展，大部分實驗室管理人員還是原來的、方式和手段也沒有發(fā)生變化，制度、觀念不變，這些實驗室軟件并沒有發(fā)生太大的變化[4]。

(4) 儀器設(shè)備損壞率增加。許多高校為了提高設(shè)備的利用率，都提出將實驗室進行開放，但由于師資管理跟不上，造成實驗室實行開放后，進出實驗室的學(xué)生數(shù)量明顯增加，而很多學(xué)生不按規(guī)程操作儀器設(shè)備，故障率和損壞率也越來越高[5]。有的學(xué)生沒有養(yǎng)成良好的習(xí)慣，實驗完成后不關(guān)掉儀器設(shè)備電源、走后不關(guān)燈、即使一個人也空調(diào)大開，造成嚴(yán)重的浪費。

2 智能化綜合管理系統(tǒng)原理及實施方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)采用面向服務(wù)的構(gòu)架，包括用戶端、客戶端、應(yīng)用支撐端、應(yīng)用端、基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)等5個層面，如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)的構(gòu)架

2.2 系統(tǒng)硬件組成及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

構(gòu)建智慧型實驗中心主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、視頻技術(shù)(采集、壓縮、傳輸)、語音對講技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)和智能手機開發(fā)技術(shù)構(gòu)建設(shè)實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)將實驗室各種資源開放和共享，通過運用信息化技術(shù)手段為學(xué)生提供了一個自主的實驗實作環(huán)境，為教師提供方便教學(xué)條件，為管理提供先進的管理方式和手段，為教學(xué)和科研提供有力的基礎(chǔ)支持，為提高實驗儀器設(shè)備的利用率提供了更安全和便捷的保障，為提高學(xué)生的實踐動手能力提供良好的基礎(chǔ)設(shè)施保障[7]。實驗室門禁系統(tǒng)、實驗終端控制系統(tǒng)為實驗室控制裝置；交換機、防火墻、服務(wù)器及實驗室開放計費/計時平臺軟件系統(tǒng)為核心支撐平臺；語音對講，即時通訊系統(tǒng)為師生之間答疑和溝通的橋梁，客戶端電腦、觸摸屏系統(tǒng)、LED大屏顯示系統(tǒng)、智能手機和APP應(yīng)用程序為客戶端應(yīng)用，系統(tǒng)硬件及拓?fù)溥B接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)軟件組成及關(guān)鍵部分實施方案

實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)軟件的模塊組成簡要介紹如下。

(1) 開放實驗。該模塊主要針對教學(xué)計劃外的新實驗項目或者實驗選修課的開放實驗管理。老師可以通過本模塊對新實驗項目進行的實驗時間、實驗地點、實驗報名起止時間、所需器材、參加實驗學(xué)生的預(yù)約、查詢，以及對學(xué)生參加完開放實驗提交的實驗報告進行批閱。學(xué)生可查看開放實驗課程內(nèi)容，選擇參加開放實驗報名、填寫實驗報告和查看開放實驗成績[8]。

新增投資者開戶數(shù)(NIA)：新增開戶數(shù)是指為國股票市場每月新增加的有效賬戶數(shù)量。通過這一數(shù)據(jù)能夠反映投資者入市的時間和數(shù)量的變化，在很大程度上也反映出投資者參與股票市場的熱情高低。情緒樂觀時，投資者參與市場的熱情高漲，促使新股民踴躍進入證券市場，開戶數(shù)劇增；而當(dāng)投資者情緒悲觀時，市場呈觀望氣氛，市場低迷，抑制了新投資者的投機沖動，從而延遲入市。

(2) 創(chuàng)新實驗。本模塊主要針對創(chuàng)新實驗方案與項目的創(chuàng)建、安排、實驗報告等工作的管理。有創(chuàng)新思想的學(xué)生通過本模塊可自主提交創(chuàng)新實驗方案，審核通過后老師根據(jù)實驗方案創(chuàng)建創(chuàng)新實驗項目，并為學(xué)生安排創(chuàng)新實驗的實驗室、實驗時間及相關(guān)耗材設(shè)備。創(chuàng)新實驗管理模塊為有創(chuàng)新思想的學(xué)生提供了一條可自主把創(chuàng)新思想轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實驗項目實踐的途徑，將大大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力[9]。

(3) 自主實驗。自主實驗管理模塊是實驗室管理最主要的核心功能之一。通過本模塊管理員可對實驗室場地、時間、設(shè)備、耗材自主選擇開放管理，從時間上空間上全面自主開放實驗室資源。同時學(xué)生可通過本模塊自主預(yù)約自主實驗項目的時間、地點等。

(4) 教學(xué)實驗。本模塊主要讓老師管理自己的教學(xué)計劃安排及查詢、變更，評定學(xué)生的實驗成績，系統(tǒng)自動根據(jù)所有老師計劃課時解決沖突，提供給老師可視化、人性化的排課選項；同時為學(xué)生提供實驗報告模板，隨時查詢教師評定結(jié)果與周課表；教學(xué)效果評價、教學(xué)資源的上傳、下載、更新；教學(xué)實驗項目設(shè)置、維護等。

(5) 系統(tǒng)設(shè)置。本模塊是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)字典、基礎(chǔ)信息、物資基礎(chǔ)信息、實驗室基礎(chǔ)信息、審批流程、權(quán)限設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入與維護功能，這是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，全面的信息資料的錄入將減輕老師、管理員的工作負(fù)擔(dān)[10]。

(6) 辦公管理。本模塊包括了實驗室工作人員、老師、管理部門日常的一些工作集中處理管理，如申請、審核、維修、報損等，師生員工信息的維護。

(7) 器材物資。低值易耗品及設(shè)備的管理在實驗室日常管理工作中是一項量大且繁瑣，但又極其重要的工作。本功能模塊對物資的采購、驗收、入庫、領(lǐng)用 、使用統(tǒng)計、庫存調(diào)整、數(shù)據(jù)查詢，設(shè)備的相關(guān)人員、維護、報修、借入借出、報廢等工作管理。有效監(jiān)控物資情況，減少耗材閑置、浪費，設(shè)備流失的現(xiàn)象[11]。

(9) 安全控制。實驗室安全監(jiān)測及控制系統(tǒng)由濕度煙霧監(jiān)測傳感器、人體紅外傳感器、有毒有害物質(zhì)監(jiān)測(電化學(xué))傳感器、機電(電流、電壓)監(jiān)控傳感器、壓力監(jiān)控傳感器、實驗室安全監(jiān)控裝置、聲光報警裝置、監(jiān)控軟件系統(tǒng)、客戶端電腦和智能手機應(yīng)用終端構(gòu)成，該子系統(tǒng)的實施方案如圖3所示。

圖3 實驗室安全監(jiān)測實施方案

(10) 電控管理。電源控制系統(tǒng)是實現(xiàn)對有源儀器設(shè)備的電源開啟和閉合的一個管理系統(tǒng)。在電源控制器的前端通過以太網(wǎng)TCP/IP或是485通信遠(yuǎn)程控制技術(shù)實現(xiàn)對有源實驗儀器設(shè)備的授權(quán)使用，即：用戶在通過門禁控制系統(tǒng)身份認(rèn)證后，方可對指定的某臺儀器設(shè)備使用。與網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)實驗室開放的無人值守，強化過程監(jiān)控管理，在實驗室無人使用時自動切斷照明、空調(diào)、儀器的電源，在滿足一定的條件下自動接通排風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的電源等[12]，其技術(shù)原理如圖4所示。

3 實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)功能

實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)軟件部分由開放實驗管理、創(chuàng)新實驗管理、自主實驗管理、教學(xué)實驗管理、系統(tǒng)設(shè)置管理、辦公管理、物資管理、統(tǒng)計報表、安全控制和電控管理等模塊組成，具體功能如圖5所示。

圖4 實驗室電源控制系統(tǒng)實施方案

4 實驗室智能化管理系統(tǒng)的優(yōu)點

4.1 降低了實驗室管理工作量

在實驗室綜合智能化管理系統(tǒng)中導(dǎo)入教師的課表后，就可實現(xiàn)值班的自動安排，改變了以往由人工根據(jù)老師的課表人工排值班的模式；系統(tǒng)和教務(wù)處的管理系統(tǒng)直接對接，改變了以往教務(wù)處的數(shù)據(jù)要人工導(dǎo)出，經(jīng)過人工轉(zhuǎn)換以和實驗室的管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式進行匹配，由于和教務(wù)處的系統(tǒng)直接對接，期末提交給教務(wù)處的匯總數(shù)據(jù)等也基本實現(xiàn)了無人化操作，也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同步更新，避免了以前的教務(wù)處數(shù)據(jù)和實驗室的數(shù)據(jù)不同步的現(xiàn)象[13]；在實驗室的開放過程中，系統(tǒng)實現(xiàn)了根據(jù)課表自動確定實驗室的開放授權(quán)、電源及門禁控制、視頻監(jiān)控等，避免了以往管理人員查看課表決定實驗室是否開放、人工開閉電源、人工開關(guān)門等，實驗室人員真正由“看門人”成為真正的技術(shù)管理人員，也有更多時間指導(dǎo)學(xué)生實驗和進行科研工作；系統(tǒng)和財務(wù)處的一卡通對接，實驗室無需安排專人為學(xué)生充值服務(wù)，所有這些都把實驗室人員從大量的事務(wù)性毫無技術(shù)性的工作中解放出來。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)的功能

4.2 提高了實驗室的安全性

系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控，即使無老師在場的情況也確保了實驗室財產(chǎn)安全，自此，鼠標(biāo)、接線板、網(wǎng)線、開發(fā)板等丟失的現(xiàn)象不再發(fā)生；通過視頻監(jiān)控，管理人員也可以對違反操作規(guī)程或其他禁止行為及時作出切斷電源等處理，通過視頻錄像，也可對儀器損害情況做到有據(jù)可查，以便作出是正常損壞還是故意損壞的判定[14]；通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)采集人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電化學(xué)毒氣傳感器自動啟動防火防盜防毒等報警系統(tǒng)、排風(fēng)除濕降溫系統(tǒng)，確保了實驗室安全有效的運行；通過系統(tǒng)的器材管理，做到器材使用跟蹤，既避免了丟失，同時對化學(xué)藥品劑量和使用記錄的追蹤，確保不被非法使用。

4.3 提高了開放的效率

通過系統(tǒng)可以實時了解實驗室及儀器設(shè)備的開放情況，哪些儀器可以預(yù)約開放使用，哪些處于維修保養(yǎng)狀態(tài)，通過系統(tǒng)的監(jiān)控，可以確保實驗耗材的使用量在合理的范圍中，杜絕了鋪張浪費現(xiàn)象的發(fā)生。通過網(wǎng)絡(luò)電源控制器加強對有源儀器設(shè)備監(jiān)管、傳感器、門禁刷卡連用進行身份識別，自動控制電源，杜絕了長明燈、長流水、長吹空調(diào)、設(shè)備無人狀態(tài)長運行的現(xiàn)象的發(fā)生，有效節(jié)約了能源。

4.4 為廣大師生員工提供了便利

在移動互聯(lián)網(wǎng)盛行的當(dāng)下，學(xué)生可以通過移動客戶端、計算機等隨時隨地的方便地查詢到實驗室的開放情況，學(xué)生根據(jù)這些信息可以方便的作出合理的安排，避免了學(xué)生興致勃勃的到實驗室才發(fā)現(xiàn)實驗室不開放或無資源可開放；通過刷卡系統(tǒng)可以隨時掌握學(xué)生出勤情況，避免了教師還要花時間點名，通過系統(tǒng)對教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)計和課堂管理，方便了教師的教學(xué)，避免了教師在個人電腦、教室多媒體計算機、實驗室教師機、優(yōu)盤等設(shè)備間資源重復(fù)的搬家。

4.5 確保實驗室數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性

許多高校在實踐教學(xué)及管理等方面普遍存在著這樣或那樣的問題，雖有規(guī)范的規(guī)章制度，但由于繁瑣并沒有真正的得到有效的執(zhí)行，通過智能化的綜合管理系統(tǒng)可以幾乎不增加工作量的情況下很方便的實現(xiàn)集中控制，實現(xiàn)資源共享，并做到管理的合理化和規(guī)范化。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)可以對管理員管理工作、設(shè)備的使用情況、教師和學(xué)生使用記錄做詳實準(zhǔn)確的匯總分析，便于學(xué)校管理部門對實驗室和管理人員的考核、獎勵做到有據(jù)可依，也可對儀器設(shè)備的使用效益作出準(zhǔn)確的評估，通過學(xué)生開放使用記錄也可以更準(zhǔn)確的了解學(xué)生真正的需求，以便為實驗室的建設(shè)做重要的參考[15]。通過儀器設(shè)備的過往維護記錄、耗材使用記錄，可以為管理部門制定維修費用、耗材使用經(jīng)費預(yù)算提供準(zhǔn)確的依據(jù)，改變以往完全由各部門自己申請，國資處或設(shè)備處執(zhí)行，缺乏必要的使用效益的評價措施和依據(jù)。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室智能化綜合管理系統(tǒng)的建立，徹底改變了以往實驗室粗放的管理模式，實驗室的管理觀念也得到改變，通過系統(tǒng)的實施，規(guī)范了實驗教學(xué)管理，不僅提高了實驗室管理人員的工作效率和服務(wù)水平，也提高了實驗室設(shè)備的利用率和設(shè)備維修及耗材資金的使用效益，系統(tǒng)中的原始資料和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也為實驗室開展評估提供了重要的依據(jù)。管理系統(tǒng)中智能電源控制系統(tǒng)也避免了電力能源的浪費，其基于物聯(lián)網(wǎng)的視頻監(jiān)控、傳感器采集數(shù)據(jù)、RFID身份識別的綜合應(yīng)用也提高實驗室的安全性；通過優(yōu)化現(xiàn)有的實驗室隊伍結(jié)構(gòu)，運用現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)等信息化輔助管理手段，將實驗室人員從開關(guān)門、電、拿著本子登記等繁瑣的毫無技術(shù)含量的工作中解放出來，以將更多的精力投入到教學(xué)改革和科學(xué)研究中去，也使得實驗室的管理更加合理規(guī)范化、數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

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Design and Implementation of Intelligent and Compositive Management System for Laboratories Based on Internet of Things

CUIGuan-xun

(School of Computer Science & Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China)

The current problems existing in the management of laboratory are discussed. The ideas of design and implementation of intelligent and compositive management system for laboratories based on the Internet of Things are introduced. The system combines with the current actual situation of laboratory management, and takes advanced management concept as a guide. There are many modules in this system, such as teaching management, open management, student management, teacher management, laboratory courses and experimental project management, equipment management, laboratory supplies management, power management and security-related modules. The most important is that the system connects with the one card management system of campus. At the same time，the system can realize all-round and real-time supervision to open laboratory efficiently combining with the mobile Internet technology and intelligent handheld terminal technology．The operation of the system can make the open management of college laboratory more scientific and institutionalized，and improve the utilization of university equipment．The energy consumption of lab is reduced and the management efficiency and service levels are improved greatly at the same time.

intelligence; compositive management system; Internet of Things; laboratories

2015-01-25

中國學(xué)位與研究生教育學(xué)會研究課題(C-2015Y0401-038);重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目(143001;153115);重慶市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2014-GX-039);重慶市教育評估研究會教育評估研究課題(PJY2015-52);重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項目(yjg152003);重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項目(2014ZD01;2014QN02);重慶理工大學(xué)重大教學(xué)成果培育項目(2013011);高等學(xué)校計算機教育研究課題(ER2015011)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級實驗師，實驗室副主任，主要從事實驗技術(shù)研究及實驗教學(xué)。

Tel.：13271948663；E-mail：cgx@cqut.edu.cn

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1006-7167(2015)11-0217-04