王鑫慧，王亞飛，楊芳芳，張 哲

(1.北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 朝陽區(qū) 100101；2.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 海淀區(qū) 100044)

實驗室是各個高等學校和職業(yè)技術(shù)學校的重要組成部分，是教學質(zhì)量保障的基本條件之一。隨著高等教育和實驗技術(shù)的發(fā)展，實踐教學和實驗室管理迎來了新的挑戰(zhàn)和問題。目前，高校實驗室所面臨的挑戰(zhàn)和問題主要有以下4個方面[1－2]。

1)學生人數(shù)增多，教師人數(shù)跟不上。

近些年來，隨著本科生和研究生的擴招，各高校的學生人數(shù)均有較大幅度的增長，教師隊伍的擴大速度遠不及教學需求。盲目擴大教師隊伍會導致教學質(zhì)量下降等問題，因此教師隊伍的擴大需要一個循序漸進的過程。而現(xiàn)在所面臨的問題則是學生人數(shù)的增長速度遠大于教師隊伍的壯大速度，因此在實驗教學中經(jīng)常會出現(xiàn)教師無法顧及所有學生的情況，使實驗的高效性受到影響。

2)實驗內(nèi)容豐富，難度加大。

隨著實踐教學課程體系的建設(shè)，綜合實踐環(huán)節(jié)逐漸增加，對學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求也促使了學生課外科技創(chuàng)新活動和創(chuàng)新項目的增加。這些變化使實踐課程和項目在數(shù)量上明顯增加，難度上明顯加大，實驗更加注重應用，而非僅僅對理論進行驗證。如果不能找到一種高效的教學方法，勢必會影響學生實驗的質(zhì)量。

3)實驗設(shè)備增多，安全管理難度大。

隨著實驗內(nèi)容的豐富和難度的加大，教育部門和各高校對實驗室的投入也逐漸加大。因此實驗室設(shè)備增多，管理困難，且安全性受到威脅。而學生創(chuàng)新項目和開放性實驗所需設(shè)備和器材的多樣化也給負責實驗室設(shè)備管理的人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如果實驗室還用傳統(tǒng)的管理模式，實驗室管理則需要投入大量的人力、物力。多樣化且數(shù)量巨大的實驗設(shè)備可能造成管理混亂、安全性下降及效率低下。

4)信息交流不暢。

在實踐教學中，教師和學生缺少交流的平臺，教師的科研成果不能及時地向?qū)W生展示，教師的實驗要求不能快速準確地傳達給學生，學生的訴求和興趣點不能全面地向教師反映，影響了師生間的信息交流，從而影響教學效果。

同時，由于部分學生對實驗內(nèi)容及儀器設(shè)備了解過少，導致在操作時經(jīng)常出現(xiàn)失誤，造成儀器和設(shè)備的損壞，同時打消了學生參與實驗的積極性。而在開放性實驗中，如果學生不能快速了解實驗室，也會導致學生進入課題緩慢，不能按時完成任務(wù)等情況。為了解決這些問題，實現(xiàn)實驗室的高效性、安全性和信息交互已經(jīng)迫在眉睫[3－5]。

物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為實驗室向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)[5]。基于此，我們設(shè)計了智能防災實驗室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以下3個部分:1)自動感知子系統(tǒng)，完成實驗室中的環(huán)境調(diào)節(jié)和對突發(fā)狀況的快速反應，保證了實驗室的安全性；2)設(shè)備管理子系統(tǒng)，解決由于實驗設(shè)備增多，管理人員不夠所導致的管理疏漏問題，使實驗室的高效性得到保障，同時兼顧了安全性；3)智能教學子系統(tǒng)，幫助同學更快認識實驗設(shè)備、了解實驗室動態(tài)、做到與老師的暢通交流，保證了實驗教學的高效性。

1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

智能防災實驗室管理系統(tǒng)的自動感知子系統(tǒng)是由一系列傳感器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成的，能夠識別不同的物體并監(jiān)控實驗室環(huán)境，發(fā)現(xiàn)實驗室環(huán)境中的異常并迅速發(fā)出警報，給管理者提供有用信息，從而能夠更加有效地協(xié)助管理者處理危機，同時避免誤報和漏報現(xiàn)象的發(fā)生。設(shè)備管理子系統(tǒng)是一個基于Java web和SQL數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)頁管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)備出入實驗室的自動登記和設(shè)備防盜功能。智能教學子系統(tǒng)是一個微信平臺，可以幫助學生自主學習實驗器材的使用方法，也能保障老師和學生的及時溝通，實時記錄實驗動態(tài)，為學生實驗成績提供有效憑證。

1.1 自動感知子系統(tǒng)

自動感知子系統(tǒng)由一系列傳感器、數(shù)據(jù)分析處理模塊和配套的執(zhí)行裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)在實驗室中裝有溫度傳感器、濕度感覺器、煙霧傳感器、光敏傳感器和紅外傳感器等。數(shù)據(jù)分析處理部分采用MSP430G2553單片機。MSP430系列單片機是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機，非常適合各種功率要求低的場合[6－7]。執(zhí)行裝置包括加濕器、空調(diào)和警報器等。自動感知系統(tǒng)通過一系列傳感器采集信號，再通過單片機對信號進行分析處理，最后通過單片機輸出信號。執(zhí)行裝置接收到單片機的信號則開始對實驗室環(huán)境進行調(diào)節(jié)或輸出警報。

如煙霧傳感器針對實驗室的火災情況進行報警，光敏傳感器可根據(jù)光線強弱自動調(diào)節(jié)燈光亮度，溫濕度傳感器針對室內(nèi)溫濕環(huán)境調(diào)節(jié)和環(huán)境異常警報。以溫濕度模塊為例。當溫濕度在標準范圍以內(nèi)，則向執(zhí)行裝置發(fā)送信號，使其對實驗室內(nèi)的溫度和濕度進行調(diào)節(jié)。當溫度或濕度超出標準范圍或有異常情況時，發(fā)出警報。如果這時煙霧報警器也同時發(fā)出報警信號，則警報升級。低級警告發(fā)生時，向管理員發(fā)出詢問消息，等待管理員處理。高級警告發(fā)生時，系統(tǒng)直接做出響應，并將警告的原因、發(fā)生警報時的數(shù)據(jù)及處理方式進行記錄。自動感知系統(tǒng)部分的原理流程圖如圖1所示[8]。

圖1 自動感知子系統(tǒng)原理圖

1.2 設(shè)備管理子系統(tǒng)

設(shè)備管理子系統(tǒng)是基于java web和SQL數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)頁管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)備出入實驗室的自動登記和設(shè)備防盜功能。該系統(tǒng)在硬件上采用RFID讀寫器，軟件上用myeclipse實現(xiàn)基于java web和SQL的數(shù)據(jù)庫。

設(shè)備管理子系統(tǒng)硬件部分采用RFID。將射頻卡貼在實驗室的設(shè)備上，并用標簽號作為它的唯一標示，將閱讀器安裝在實驗室門口附近的自動識別臺上。閱讀器會發(fā)送周期性信號。當貼有射頻卡的設(shè)備經(jīng)過門口，便進入了閱讀器的有效區(qū)域，射頻卡被激活，向閱讀器發(fā)射自己的標簽號等信息。在接收、解調(diào)和解碼后，閱讀器將信息送入實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)進行相關(guān)的處理[9]。

設(shè)備管理子系統(tǒng)軟件界面功能包括庫存信息查詢、儀器添加、儀器修改和儀器刪除等功能，如圖2所示。其中各模塊實現(xiàn)的流程圖如圖3所示。系統(tǒng)先將閱讀器讀到的數(shù)據(jù)送入SQL數(shù)據(jù)庫，然后通過標簽的位信息判斷標簽所對應的設(shè)備信息，進而對設(shè)備信息進行分類處理。用戶也可通過系統(tǒng)進行設(shè)備更新和添加等工作。這樣，自動識別臺就能實現(xiàn)設(shè)備進出實驗室的自動登記，只要讓貼有標簽的設(shè)備在自動識別臺前的小平臺上經(jīng)過，即可完成進出庫登記。當管理員需要查看庫存和更新信息時，直接打開軟件，導入數(shù)據(jù)庫，就可看到當前的實驗室設(shè)備信息，實現(xiàn)了管理系統(tǒng)的高效性和自動化。

管理系統(tǒng)在提供便捷的設(shè)備管理的同時，也提供防竊保護功能。在非出入庫時段，閱讀器發(fā)現(xiàn)有設(shè)備被移入移出，可以準確地識別并記錄每一臺設(shè)備的信息，彈出警報窗口?？梢詾楣芾韱T提供準確的非正常操作設(shè)備的具體信息，保證了實驗室的安全性。

圖2 實驗室管理系統(tǒng)界面截圖

圖3 實驗室管理子系統(tǒng)部分原理圖

1.3 智能教學子系統(tǒng)

智能教學子系統(tǒng)是一個基于微信平臺的軟件系統(tǒng)。微信是目前各種企業(yè)、機構(gòu)、組織和個人進行宣傳、推廣和交流的重要手段。微信平臺不僅提供了發(fā)布信息、自動回復和自定義菜單等功能，還提供了開發(fā)者工具[10]。在智能教學系統(tǒng)中，微信平臺(bistu通信實驗室)主要用于向?qū)W生推廣實驗室、學生查詢實驗課表、教師布置實驗任務(wù)和師生交流等。平臺會定期向?qū)W生推送實驗室咨詢，達到推廣實驗室的目的。學生可以通過客戶端發(fā)送 “實驗安排”“近期實驗”等關(guān)鍵字，查詢實驗課表。教師可通過平臺布置試驗任務(wù)。學生在完成某項任務(wù)或中途出現(xiàn)問題，也可做出相應回復或點擊相應按鍵，向教師反映當前狀況。實驗完成后，教師可在平臺上發(fā)起投票和發(fā)布問題，以此統(tǒng)計學生狀況，得到實驗反饋，用來改進教學方案。

二維碼是利用一定幾何圖案在二維空間上形成特性規(guī)律分布的黑白相間的圖像來記錄信息的一種技術(shù)[11]，通過用手機掃描二維碼即可獲取相應信息。實驗室系統(tǒng)中每一個設(shè)備都有一個唯一的二維碼，學生做實驗時，用手機終端的微信掃一下儀器上的二維碼，就可獲取到儀器的使用說明和教學視頻，有效減少了學生因為不會操作，又不能及時得到教師指導而引發(fā)的操作錯誤。智能教學系統(tǒng)的微信界面和設(shè)備二維碼如圖4所示。

圖4 實驗室微信平臺界面截圖及設(shè)備二維碼

2 智能防災實驗室管理系統(tǒng)的特點

智能防災實驗室管理系統(tǒng)能夠完成實驗室環(huán)境調(diào)節(jié)和突發(fā)狀況應對、實驗室設(shè)備管理、實驗室動態(tài)推廣和輔助教師實驗教學等任務(wù)，具有如下特點。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控多元化

自動感知子系統(tǒng)的設(shè)置，使實驗室更加安全，更加科學化。一系列傳感器多方位感知實驗室實時狀態(tài)，多參量的數(shù)據(jù)處理使預警分級化。優(yōu)先處理高級預警，通過輔助參量調(diào)節(jié)預警級別，做到無漏報，無錯報。智能調(diào)節(jié)溫濕度使實驗室設(shè)備存放環(huán)境更加合理，這樣就提高了實驗室系統(tǒng)的安全性和科學性。

2.2 設(shè)備管理自動化

設(shè)備管理子系統(tǒng)的設(shè)置使實驗室更加自動化，人機交互簡單，同時也保證了實驗室設(shè)備的安全性。系統(tǒng)硬件采用RFID，無需專人記錄，自動識別臺可實現(xiàn)設(shè)備進出實驗室的自動登記。只要讓貼有標簽的設(shè)備在自動識別臺前的小平臺上經(jīng)過，即可完成登記，使系統(tǒng)更加自動化。實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)軟件包括庫存信息查詢、儀器添加、儀器修改和儀器刪除等功能。操作簡單，無需安裝客戶端，打開瀏覽器即可運行，人機交互友好[12]。

2.3 教學系統(tǒng)智能化

智能教學子系統(tǒng)的設(shè)置使實驗更加高效，也方便了教師與學生間的相互交流。二維碼的設(shè)置使學生可以自主學習設(shè)備使用方法，提高了實驗效率。微信平臺的設(shè)置使實驗進度更加清晰明了，學生反饋更加全面，完成了學生和老師交流的便利化。同時可以發(fā)布實驗室動態(tài)等各種信息，輔助實驗室建設(shè)和實驗室共享。

3 結(jié)束語

智能防災實驗室管理系統(tǒng)主要從高效、安全性和信息交互幾個方面入手，將環(huán)境調(diào)節(jié)、設(shè)備管理和教育教學系統(tǒng)相結(jié)合，解決了實驗室存在的一些問題，提高了實驗室的管理水平和安全性。經(jīng)過測試和分析，本系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，基本功能齊備，今后會在功能多樣化、系統(tǒng)實時性和各模塊協(xié)調(diào)性等方面進行完善。

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