周 瑞，李景宇，桑 楠

·實驗室建設與管理·

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室系統(tǒng)的構建

周 瑞，李景宇，桑 楠

(電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054)

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展正在改變大眾的工作、學習和生活方式，也為高校的實踐教學提供了新形式。該文研究了智慧實驗室系統(tǒng)以開放式實驗教學為目標，以基本實驗管理流程為核心，包括實驗課程預約、門禁控制與考勤管理、實驗設備管理、學生上機管理、實驗室綜合監(jiān)控等功能。系統(tǒng)構建采用服務器瀏覽器模式，突破了時間空間限制，實現(xiàn)了實驗管理員、教師和學生之間互動的網(wǎng)絡化開放管理平臺。實踐證明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建的智慧實驗室系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮新技術的優(yōu)勢，為實踐教學提供一種便捷高效的管理方式，極大減輕實驗管理員的負擔，提高教師的工作效率和效果。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧實驗室；門禁控制；考勤管理；設備管理；實驗室監(jiān)控

實驗室是高校的基本構成單元，是學生開展實踐能力訓練的重要場所，在高校人才培養(yǎng)中發(fā)揮著極其重要的作用。實驗教學中需要對學生上課進行考勤，對實驗設備進行管理，對學生上機進行管理，對實驗室環(huán)境也需要進行監(jiān)控，從而保證實驗課程以及后續(xù)課程的順利進行。對實驗教學中的學生考勤，大多數(shù)學校仍采用傳統(tǒng)的點名或者簽到方式，占用了正常上課時間且無法杜絕代簽現(xiàn)象。實驗中，學生使用計算機的情況也比較混亂，大多數(shù)學校目前沒有有效的方法進行管理。實驗室中實驗設備的管理仍采用手工方式，設備的借用、歸還以及損壞往往不能得到及時記錄，影響設備的正常使用。實驗室通常沒有行之有效的安全防護措施，防火防盜工作不到位，給實驗室留下安全隱患。實驗室也沒有有效的節(jié)能措施，導致電力和網(wǎng)絡資源的浪費。

實驗室存在實驗時間不確定、實驗項目多樣、實驗內容多變、實驗對象多層次和多專業(yè)等問題。這種不確定性和多樣性，給教師和實驗管理員增加了工作量和繁瑣度?；谖锫?lián)網(wǎng)技術[1]構建智能化實驗室管理系統(tǒng)是一種必然的趨勢，是提升高校實踐教學水平的有效平臺[2]。智慧實驗室系統(tǒng)通常涉及實驗課程預約、門禁控制與考勤管理、學生上機管理、實驗設備管理和實驗室綜合監(jiān)控等方面。根據(jù)預約的實驗課程，通過學生或教師刷卡自動進行門禁控制和上課考勤，自動控制和記錄學生對計算機的使用，自動控制對實驗設備的借用和歸還以及使用情況記錄，采用無線傳感器網(wǎng)絡技術[3]對實驗室環(huán)境進行全時段監(jiān)測，并根據(jù)實驗室環(huán)境進行自動的安防節(jié)能控制。智慧實驗室系統(tǒng)不僅能夠使實驗室的資源得到合理利用，并且能夠使實驗室和實驗課程的管理更加高效便捷，從而創(chuàng)造一個良好的教學氛圍，提高實踐教學的質量和效果[4-7]。

1 系統(tǒng)結構與部署

智慧實驗室系統(tǒng)是依托校園網(wǎng)絡，應用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)實驗管理員、教師和學生互動的智能化、網(wǎng)絡化、開放的管理平臺。系統(tǒng)由服務器、控制終端和用戶瀏覽器組成，總體結構如圖1所示。

系統(tǒng)服務器是一組服務器，包括Web服務器、管理服務器、數(shù)據(jù)庫 (DB)服務器和視頻服務器。Web服務器是整個系統(tǒng)查詢和管理操作的入口，通過Internet向教師、學生和實驗管理員提供遠程查詢、遠程控制、數(shù)據(jù)管理、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)配置等功能。實驗管理員可以遠程對實驗室和實驗設備進行管理和監(jiān)控，教師可以遠程對自己的實驗課程進行管理，學生可以遠程進行實驗課程預約并查詢自己的實驗和考勤記錄。管理服務器作為系統(tǒng)的中央控制單元，負責接收來自各控制終端和Web服務器的請求，進行相應處理并進行應答，同時將接收到的各種數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中，從而實現(xiàn)對門禁、考勤、計算機、實驗設備和實驗室本身的管理。所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫服務器統(tǒng)一存儲并提供訪問接口。視頻服務器負責對通過視頻監(jiān)控設備采集的圖像數(shù)據(jù)進行解析、存儲和傳輸，實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。服務器系統(tǒng)平臺為Windows Server，采用Java語言實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體結構和部署

系統(tǒng)的控制終端包括門禁控制與考勤管理終端、計算機管理終端、實驗設備管理終端、實驗室綜合管理終端和視頻監(jiān)控終端，如圖1所示。門禁控制與考勤管理[8]終端包括門禁控制器、刷卡器、電控鎖等。用戶刷卡后，門禁控制器讀取卡內信息，向管理服務器發(fā)起認證請求，認證通過后，門禁控制器驅動電控鎖，打開實驗室大門，同時管理服務器進行考勤記錄。計算機管理終端指連接有刷卡器的學生實驗用計算機，計算機上運行駐留程序。開機時，駐留程序鎖定系統(tǒng)并彈出刷卡提示窗口，學生刷卡后，駐留程序讀取卡內信息并向管理服務器發(fā)出認證請求，認證通過后，駐留程序解鎖計算機進入正常使用界面。實驗設備管理終端包括設備柜控制器、RFID[9](射頻識別)讀寫器、刷卡器和電控鎖。設備柜控制器通過RFID讀寫器實時獲取設備柜內的設備信息，上報給管理服務器，與服務器協(xié)同完成對實驗設備的管理和控制。設備柜控制器連接刷卡器，根據(jù)對刷卡信息的認證結果，通過電控鎖控制設備柜門的開關。實驗室綜合管理終端包括多功能網(wǎng)關、多種傳感器、電源控制器、窗簾控制器和聲光報警器。多功能網(wǎng)關是實驗室綜合管理終端中的核心設備，與服務器協(xié)同，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的監(jiān)測和控制，負責采集傳感器[3]數(shù)據(jù)并上傳至服務器，接收服務器下發(fā)的命令對實驗室中的電器進行控制。網(wǎng)關硬件平臺為ARM，軟件平臺為Linux，采用C＋＋語言實現(xiàn)。傳感器包括紅外傳感器、煙霧傳感器、窗磁傳感器、照度傳感器和溫濕度傳感器，控制的電器包括照明、窗簾、風扇等。多功能網(wǎng)關連接聲光報警器，異常情況下觸發(fā)聲光報警。視頻監(jiān)控終端包括數(shù)字視頻錄像機和攝像頭。數(shù)字視頻錄像機的視頻輸入口一通道和二通道分別接入2個模擬攝像頭 (槍機)，可實現(xiàn)H.264的編解碼功能，本機提供主輔2種碼流同時編碼。主碼流本地存儲，確保圖像高質量；輔碼流網(wǎng)絡實時傳輸，解決帶寬問題。數(shù)字視頻錄像機通過網(wǎng)絡實現(xiàn)與視頻服務器的通信，對視頻流數(shù)據(jù)進行H.264編碼處理并完成傳輸和存儲，從而實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 實驗課程預約

智慧實驗室系統(tǒng)允許通過Web頁面遠程預約實驗課程，包括教師授課預約、學生上課預約和學生自習預約3種形式。預約的實驗課程需經(jīng)過實驗管理員確認后才能生效。門禁控制和考勤管理、學生上機管理、實驗設備管理中的人員身份認證均以實驗課程預約為認證依據(jù)。教師申請授課預約時，需填寫實驗課程名稱、實驗室名稱、授課時間、人數(shù)上限、實驗設備等信息。系統(tǒng)自動檢測實驗時間是否存在沖突和實驗室中現(xiàn)存實驗設備是否足夠。教師提交授課預約申請后，等待實驗管理員審核該預約申請，只有審核通過的預約請求才能安排成為實驗課程。學生申請上課預約的前提是授課教師已提交該實驗課程的授課預約申請并且審核通過。學生申請過程中，系統(tǒng)需要檢查申請上課的人數(shù)是否超過限制，如果未超出，則申請成功并自動分配計算機和實驗設備。學生自習預約指學生可以預約自習實驗，即沒有教師上課的實驗。申請自習預約時，學生需填寫關聯(lián)課程名稱、實驗室名稱、自習時間等信息。系統(tǒng)自動檢查有無時間沖突以及相關實驗設備是否可用，申請成功后自動分配計算機和實驗設備。

2.2 門禁控制與考勤管理

門禁控制和考勤管理是實驗室管理的重要組成部分，包括進門控制、出門控制、考勤記錄和日志記錄。門禁控制和考勤管理終端和服務器協(xié)同工作，實現(xiàn)對進出門的控制和對考勤的管理。考勤結果通過Web服務器進行查詢和維護。學生可以查詢自己的考勤信息，教師可以查詢并維護與自己課程相關的考勤信息，而實驗管理員可以維護所有考勤信息。

學生和教師在有實驗課程預約的前提下，可以在上課時通過身份認證進入實驗室。進門時，學生或教師刷卡，門禁控制器獲取刷卡信息，請求管理服務器進行認證。管理服務器根據(jù)收到的刷卡信息和數(shù)據(jù)庫中的實驗預約信息判斷該學生或教師能否進入實驗室，返回認證結果給門禁控制器。如果認證通過，門禁控制器顯示系統(tǒng)分配給該學生的計算機編號和設備編號，驅動電控鎖打開大門，同時進行考勤記錄和日志記錄。有實驗課程預約的學生如果在上課時間未到實驗室，服務器會進行缺勤提醒，并以短信或者郵件的形式通知該學生。

學生和教師離開實驗室同樣需要認證，防止非法攜帶實驗設備出門。出門時，學生或教師需要刷卡，門禁控制器獲取刷卡信息，請求管理服務器進行認證。管理服務器根據(jù)收到的刷卡信息檢查該學生所借實驗設備是否已歸還，返回認證結果給門禁控制器。如果認證通過，門禁控制器驅動電控鎖打開大門，學生或教師才能離開實驗室，同時系統(tǒng)記錄考勤和日志。對于未到下課時間提早離開實驗室的學生，考勤記錄其為早退。

2.3 學生上機管理

學生進入實驗室后，使用計算機之前仍需要進行身份認證，認證通過后方可使用計算機。每臺計算機都安裝有駐留程序，并連接刷卡器。計算機開啟時，駐留程序鎖定系統(tǒng)并彈出刷卡提示窗口，學生刷卡后，駐留程序獲取刷卡信息，請求管理服務器進行認證。管理服務器根據(jù)刷卡信息和實驗預約信息以及計算機分配信息進行認證，確保學生使用的是分配給他的計算機，返回認證結果給駐留程序。如果認證通過，駐留程序解鎖系統(tǒng)進入計算機正常使用界面。實驗課結束后，計算機會自動關機，方便后續(xù)實驗課的學生使用。計算機的正常使用和出現(xiàn)的異常，駐留程序都會進行記錄，并發(fā)送給管理服務器。管理服務器將這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中，管理員能隨時通過Web頁面查詢計算機的使用情況。

2.4 實驗設備管理

實驗中需要用到實驗設備，實驗設備存放在設備柜中。每個設備柜由一個設備柜控制器控制，設備柜控制器連接刷卡器、電控鎖和RFID讀寫器。RFID讀寫器會對設備柜中的設備進行周期掃描，檢測設備狀態(tài)，并實時顯示設備柜中的設備及其狀態(tài)[10]。

學生使用實驗設備，需要進行身份認證。通過學生刷卡，設備柜控制器獲取學生刷卡信息，請求管理服務器進行認證。管理服務器檢查該學生的預約設備所在設備柜編號與當前刷卡設備柜編號是否一致，返回驗證結果給設備柜控制器。若驗證通過，設備柜控制器驅動電控鎖打開設備柜門，學生可以取出并使用設備，系統(tǒng)記錄設備借用情況。取出設備之后，學生應及時將設備柜門關上，設備柜控制器會觸發(fā)關門掃描，由RFID讀寫器對設備柜中的設備進行掃描，確認學生取出的設備是其預約的設備。若學生打開設備柜門后一段時間內不執(zhí)行關門操作，或者取出的設備和預約的設備不一致，則設備柜控制器報警。

設備使用完畢，需要歸還到設備柜中，同樣需要身份認證。通過學生刷卡，設備柜控制器獲取學生刷卡信息，請求管理服務器進行認證。管理服務器驗證該學生的預約設備所在設備柜編號與當前刷卡設備柜編號是否一致，返回驗證結果給設備柜控制器。若驗證通過，設備柜控制器驅動電控鎖打開設備柜門，學生歸還所使用設備。之后關上設備柜門，設備柜控制器觸發(fā)關門掃描，由RFID讀寫器對設備柜中的設備進行掃描，確認學生歸還的設備是其取出的設備。若學生打開設備柜門后一段時間內不執(zhí)行關門操作，或者歸還的設備和取用的設備不一致，則設備柜控制器報警。

2.5 實驗室綜合監(jiān)控

實驗室綜合監(jiān)控通過安裝在實驗室中的傳感器對實驗室環(huán)境進行全時段實時監(jiān)測，并根據(jù)環(huán)境變化對實驗室的電器設備進行自動控制，以起到防火、防盜和節(jié)能的目的。實驗室綜合監(jiān)控終端包括多功能網(wǎng)關、傳感器和電器。多功能網(wǎng)關負責采集傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并上傳至管理服務器，管理服務器收到數(shù)據(jù)后存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中，并根據(jù)實驗室配置進行聯(lián)動控制[11-12]，返回控制命令給多功能網(wǎng)關，再由多功能網(wǎng)關進行電器節(jié)點的控制，如開關燈、開關風扇、報警等。實驗管理員能隨時通過Web頁面觀察實驗室內傳感器節(jié)點的狀態(tài)和電控記錄，并能夠通過遠程方式控制實驗室電器。實驗室中常用的傳感器包括:紅外傳感器、煙霧傳感器、窗磁傳感器、照度傳感器、溫濕度傳感器等，如表1所示。常用的可控制的電器包括照明、窗簾、風扇等。

表1 傳感器節(jié)點及控制節(jié)點

由于實驗室采用不同類型的傳感器來監(jiān)測環(huán)境的不同方面，為保證實驗室資源的安全性并減少能源消耗，需要仔細設計系統(tǒng)的聯(lián)動控制策略。智慧實驗室系統(tǒng)的聯(lián)動控制策略有以下4個方面:1)煙霧傳感器能夠監(jiān)測煙霧濃度，一旦發(fā)現(xiàn)煙霧濃度過高，則可能是發(fā)生了火災，此時觸發(fā)聲光報警并迅速打開實驗室大門；2)在監(jiān)控時段內，如夜間，為防止非法人員進入實驗室，紅外傳感器和窗磁傳感器會對實驗室進行防盜監(jiān)控，一旦監(jiān)測到實驗室有人或者窗戶被打開，系統(tǒng)就會進行防盜報警；3)在監(jiān)控時段內，實驗室照明可能因為用戶遺忘而未關閉，如果照度傳感器監(jiān)測到光照強度過高，則會自動關閉實驗室照明，以達到節(jié)能目的；4)在監(jiān)控時段內，為防止實驗室溫度過高或過低對實驗設備、實驗室資源及人員造成負面影響，系統(tǒng)會根據(jù)當前實驗室溫度以及實驗管理員預先設置的溫度閾值，打開風扇或者空調進行溫度調節(jié)。

3 結束語

新技術總是在不斷改變我們的生活、工作和學習方式。物聯(lián)網(wǎng)技術近年來得到迅速發(fā)展，并廣泛應用于社會的各個方面。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術在高校實驗室中的應用，闡述了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室系統(tǒng)的構建及其對實驗課程管理的影響。本文智慧實驗室系統(tǒng)提供了一個智能化的、網(wǎng)絡化的、開放的實驗管理平臺，能夠實現(xiàn)門禁控制與自動考勤管理、有序的學生上機管理、高效的實驗設備管理和安全節(jié)能的實驗室綜合監(jiān)測與控制。該系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在多個學校的實驗室中，使用效果良好。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的進一步發(fā)展，智慧實驗室系統(tǒng)會在教育和科研領域獲得更廣泛的應用。

[1]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009，23(12):1-7.

[2]肖克輝，徐東風.物聯(lián)網(wǎng)背景下的計算機實驗中心管理[J].實驗室研究與探索，2011(8):292-295.

[3]徐勇軍，楊宇.無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界，2006(10):56-56.

[4]吳良，鄒志宏，吳文華，等.智能實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)與實踐[J].實驗室研究與探索，2012(5):169-172.

[5]王偉，雷二慶，毛軍文.基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代實驗室信息管理系統(tǒng)探討[C]//第三屆全國醫(yī)學科研管理論壇暨江蘇省醫(yī)學科研管理學術年會.江蘇: [s.n]，2011(23):1360-1364.

[6]吳文華，楊慶，沈新元，等.智能實驗室管理系統(tǒng)下的實驗室開放管理[J].實驗技術與管理，2011，28(2):172-176.

[7]吳文華，施鎮(zhèn)江，朱娟娟，等.智能管理系統(tǒng)在高校實驗室管理中的應用[J].實驗室研究與探索，2014(11):259-264.

[8]魏振鋼，宋慶國，張建軍，等.基于以太網(wǎng)的分布式智能門禁系統(tǒng)[J].安防科技，2007(3):6-8.

[9]SHEPARD S R.Radio frequency identification[M].New York:McGraw Hill Professional，2005.

[10]WAHAB M H A，KADIR H A，TUKIRAN Z，et al.Webbased laboratory equipment monitoring systemusing RFID[C]//International Conference on Intelligent and Advanced Systems.Kuala Lumpur， Malaysia:IEEE， 2010， 1-5.

[11]馬慶祿，斯海林，郭建偉.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下城市交通區(qū)域聯(lián)動的云控制策略[J].計算機應用研究，2013(9):1-4.

[12]VARGASH，SANCHEZ J，JARA C A，et al.A network of automatic control web-based laboratories[J].IEEE Transaction on Learning Technologies， 2011， 4(3):197-208.

Construction of Smart Laboratory System Based on Internet of Things

ZHOU Rui， LI Jingyu， SANG Nan
(School of Information and Software Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

The development of Internet of Things has been changed our styles from working，studying and living.It also provides a new form for the experimental teaching in the universities..This paper aims at studying the open experimental teaching of intelligent laboratory system，taking the basic experiment management process as the core，including the function of experimental course scheduling， entrance controlling and attendance management， device management， computer management， laboratory monitoring and management.The system is constructed with browser-server architecture and establishes an open management platform for teachers，students and laboratory administrators， and so on.The system is built by using the server browser model， which can break the time and space constraints.Then the teachers and students of the interactive network on the open management platform can achieve the experimental administrator.It is proved that the intelligent laboratory system based on the Internet of Things technology can give full play to the advantages of the new technology， provide a convenient and efficient management way for the practice teaching， greatly reduce the burden of the experiment manager and improve the work efficiency and effect of the teachers.

Internet of Things； smart laboratory； entrance control； attendance management； device management； laboratory monitor

G434

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.036

2016-02-24；修改日期:2017-09-07

周瑞(1974-)，女，博士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、普適計算方面的研究。