文 燕，李 雪，李 敏

（成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)分院，四川 成都 611130）

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)越來(lái)越重視，高校實(shí)驗(yàn)室在科研、人才培養(yǎng)及成果創(chuàng)新等方面取得豐碩的成果，也推動(dòng)了我國(guó)高等教育的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室的管理水平較上個(gè)世紀(jì)有了很大進(jìn)步，但在高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率等問(wèn)題顯得尤為突出。目前，大部分高校實(shí)驗(yàn)室的信息化管理系統(tǒng)，僅僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的資源、設(shè)備和人員信息的管理，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境檢測(cè)、設(shè)備控制和安全管理方面涉及不多。

用傳統(tǒng)的方式來(lái)管理高校實(shí)驗(yàn)室，不僅方法落后，費(fèi)事費(fèi)力，效率低下，而且成本高昂。這些傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室的迅速發(fā)展，目前實(shí)驗(yàn)室管理存在的突出問(wèn)題主要表現(xiàn)在：

（1）對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)、監(jiān)管以及維護(hù)效率不高，從而經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備丟失現(xiàn)象，給實(shí)驗(yàn)室管理員帶來(lái)許多的麻煩，浪費(fèi)了大量的物力與財(cái)力。

（2）在實(shí)驗(yàn)課上，老師通過(guò)人工方式了解學(xué)生出勤情況，不僅費(fèi)時(shí)，還容易出錯(cuò)。

（3）各實(shí)驗(yàn)室之間無(wú)法共享資源，實(shí)驗(yàn)室之間共享資源率低，尤其是一些高端精密設(shè)備、跨實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用程序復(fù)雜，導(dǎo)致某些設(shè)備的利用率不高。

（4）現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室門(mén)鎖、窗簾和燈光都釆用機(jī)械銷(xiāo)匙和手動(dòng)的方式開(kāi)關(guān)，不能進(jìn)行智能化的遠(yuǎn)程控制，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的使用情況也不能夠完整記錄。

（5）在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，沒(méi)有對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作與存放環(huán)境不能夠及時(shí)檢測(cè)或發(fā)出預(yù)警，從而給實(shí)驗(yàn)室造成毀滅性的損壞。

結(jié)合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室管理所存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一套智能化的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能控制和管理在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的管理系統(tǒng)中是大勢(shì)所趨。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化、智能化管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著全球信息化的發(fā)展，新技術(shù)、新學(xué)科、新專(zhuān)業(yè)不斷涌現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用深入，國(guó)家在信息化“十二五”規(guī)劃中，提出了建設(shè)“智慧校園”的口號(hào)，希望把二十一世紀(jì)的大學(xué)建設(shè)成信息化、智能化的大學(xué)?！爸腔坌@”建設(shè)的一個(gè)重點(diǎn)就是高校實(shí)驗(yàn)室管理的信息化、智能化。

高校實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是取代高校實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的管理方式，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)實(shí)驗(yàn)室的智能控制等功能，讓實(shí)驗(yàn)室的管理智能化，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室管理流程，提高實(shí)驗(yàn)室管理的自動(dòng)化、智能化水平和實(shí)驗(yàn)室的利用率，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高校的“智慧校園”提供強(qiáng)有力的保障。

該實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)采用DCM三層整體技術(shù)架構(gòu)，每層架構(gòu)都應(yīng)用最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞“軟件即服務(wù)”的思想，在實(shí)現(xiàn)效果和設(shè)計(jì)理念上體現(xiàn)可視化、泛在化、智能化、個(gè)性化、一體化的特點(diǎn)。

智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)整體架構(gòu)包括三部分：感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層，該系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、PM2.5和光照等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用中心的實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)，用戶(hù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)顯示，用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)端和PC端訪問(wèn)系統(tǒng)客戶(hù)端程序，后臺(tái)程序主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自客戶(hù)端的指令，再由智能化管理系統(tǒng)發(fā)送到各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)最終做出智能決策、并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和智能控制的功能。

1.1 門(mén)禁管理與考勤模塊設(shè)計(jì)

門(mén)禁管理模塊是實(shí)驗(yàn)室智能化管理的一個(gè)非常重要功能，是智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中重要的子模塊。其主要由電源模塊、NFC讀卡模塊、門(mén)禁控制器模塊、門(mén)禁報(bào)警器、電控鎖模塊和出門(mén)按鈕模塊六個(gè)部分組成，門(mén)禁管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）電源模塊：電源模塊為整個(gè)智能門(mén)禁無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，釆用的是3.7V的鋰電池。

（2）RFID讀卡模塊：RFID讀卡模塊采用的是NFC讀卡，NFC是一種近距離無(wú)線通訊技術(shù)，負(fù)責(zé)讀取學(xué)生校園卡數(shù)據(jù)。

2.4 多因素Cox回歸分析 以本研究資料為樣本，建立COX比例風(fēng)險(xiǎn)回歸模型。應(yīng)變量為EOC患者預(yù)后(賦值: 1=死亡，0=生存，生存時(shí)間t)。自變量為前述2.2和2.3節(jié)中P<0.05的各個(gè)指標(biāo)/因素?；貧w過(guò)程采用后退法，α剔除=0.05。結(jié)果：分化程度、FIGO分期、PDCD4表達(dá)等3個(gè)指標(biāo)被保留于回歸結(jié)果中，相對(duì)危險(xiǎn)度RR依次為2.527、2.947、2.014。提示分化程度(低)、FIGO分期(Ⅲ～Ⅳ期)、PDCD4(陰性)是EOC預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素(P<0.05)。見(jiàn)表2。

（3）ZigBee模塊：ZigBee模塊是無(wú)線節(jié)點(diǎn)的核心，提供控制和通信的功能，本系統(tǒng)中的ZigBee模塊都是釆用CC2530的ZigBee芯片，CC2530不僅能夠提供單片機(jī)的控制功能，還具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，保證了系統(tǒng)無(wú)線模塊之間的通信。

（4）繼電器模塊：繼電器模塊負(fù)責(zé)電控鎖電源的開(kāi)關(guān)控制。

（5）電控鎖模塊：電控鎖主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室門(mén)的機(jī)械開(kāi)鎖和閉鎖，門(mén)禁模塊采用磁力鎖。

（6）出門(mén)按鈕模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)門(mén)的功能。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)門(mén)禁管理模塊的結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室智能化管理中必不可少，如實(shí)驗(yàn)室里的溫濕度、PM2.5和光照度等信息檢測(cè)有著重要的意義，各類(lèi)環(huán)境參數(shù)采集模塊主要包括電源模塊ZigBee模塊和各類(lèi)傳感器模塊。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)釆集模塊的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 環(huán)境參數(shù)釆集模塊的結(jié)構(gòu)

1.3 實(shí)驗(yàn)室控制模塊設(shè)計(jì)

窗簾和燈光智能控制模塊的設(shè)計(jì)原理與門(mén)禁模塊基本一致，亦是屬于實(shí)驗(yàn)室智能管理的重要功能。該模塊主要由電源模塊、ZigBee模塊、繼電器模塊和控制電機(jī)組成。電機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)窗簾和燈光的開(kāi)關(guān)與漸變，其他組成功能與智能門(mén)禁相同。智能控制模塊的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 智能窗簾控制模塊的結(jié)構(gòu)

1.4 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是提供兩種網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，一是無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的通信服務(wù)，即通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Sink節(jié)點(diǎn)與處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信；二是無(wú)線節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的通信服務(wù)，即通過(guò)Socket網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信。在該系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)釆用TP-Link WR703N路由器和CC2530的ZigBee芯片的組合設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)不僅具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，還具有強(qiáng)大的管理能力和廣泛的接入能力。TPLink WR703N是當(dāng)前比較流行的一種路由器，再結(jié)合 OpenWRT操作系統(tǒng)。OpenWRT是一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，既具有高度模塊化、自動(dòng)化的特性，又擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)以及擴(kuò)展功能，被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能農(nóng)業(yè)等新興領(lǐng)域。本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)

2 高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)

成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室是成都市教育局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)幾年以來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室的管理和設(shè)備使用方面存在了諸多的問(wèn)題。結(jié)合我院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的管理的具體情況，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的系統(tǒng)主要包括以下功能：用戶(hù)信息管理、設(shè)備信息管理、節(jié)點(diǎn)信息管理、環(huán)境信息管理、智能控制管理和考勤信息管理、門(mén)禁系統(tǒng)管理，實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。

（1）用戶(hù)信息管理模塊。用戶(hù)信息管理模塊不僅方便地管理了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員信息，也記錄了人員的正常流動(dòng)過(guò)程，還為整個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)提供了統(tǒng)一用戶(hù)信息管理賬號(hào)。該模塊包括用戶(hù)信息添加、用戶(hù)信息的刪除、用戶(hù)信息修改模塊和用戶(hù)信息查詢(xún)等功能。

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的功能

（2）設(shè)備信息管理模塊。通過(guò)對(duì)我院實(shí)驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的需求分析，要求實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備智能化管理。設(shè)備的日常管理包括新買(mǎi)設(shè)備的錄入、報(bào)廢設(shè)備的刪除、設(shè)備的使用登記以及現(xiàn)有設(shè)備的查詢(xún)等功能，通過(guò)設(shè)備上的標(biāo)簽利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的日常信息化、智能化管理。

（3）節(jié)點(diǎn)信息管理模塊。由于考慮到系統(tǒng)地可擴(kuò)展性和可持續(xù)性，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)中增加了無(wú)線節(jié)點(diǎn)管理模塊，該模塊使系統(tǒng)能夠靈活地對(duì)各個(gè)無(wú)線模塊進(jìn)行管理，對(duì)節(jié)點(diǎn)的添加和刪除更加方便，對(duì)于開(kāi)發(fā)其他功能模塊的成本大大降低了，同時(shí)也提高了開(kāi)發(fā)其他模塊的效率都。

（4）環(huán)境信息管理模塊。該模塊對(duì)傳感器采集的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與顯示，即有對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度、PM2.5和光照進(jìn)行詳細(xì)分析與顯示以及查詢(xún)等功能，為系統(tǒng)的智能控制提供智能決策。

（5）智能控制管理模塊。主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)門(mén)、開(kāi)關(guān)窗簾和開(kāi)關(guān)燈光等進(jìn)行智能控制操作。

（6）門(mén)禁和考勤管理模塊。實(shí)驗(yàn)室教學(xué)門(mén)禁和考勤管理模塊，根據(jù)課表或臨時(shí)安排，通過(guò)刷卡開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室大門(mén)，在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定地點(diǎn)對(duì)規(guī)定的人群開(kāi)放；學(xué)生刷卡后，系統(tǒng)對(duì)使用實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生自動(dòng)分配實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)設(shè)備，對(duì)學(xué)生課內(nèi)外使用實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等進(jìn)行考勤、記錄和統(tǒng)計(jì)分析；同時(shí)還可以按學(xué)籍管理要求，將學(xué)生考勤情況自動(dòng)進(jìn)行成績(jī)、學(xué)分等折算；實(shí)驗(yàn)室的課外開(kāi)放管理，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約，在得到批準(zhǔn)后在規(guī)定的時(shí)間通過(guò)刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，使用指定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或設(shè)備。

（7）系統(tǒng)信息管理模塊。它是管理信息系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是對(duì)系統(tǒng)操作權(quán)限的集中管理，包括定義操作者角色、設(shè)定系統(tǒng)用戶(hù)、設(shè)置功能權(quán)限、分配功能權(quán)限，系統(tǒng)管理設(shè)立統(tǒng)一的安全機(jī)制，如設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控機(jī)制、設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)備份、清除系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的異常任務(wù)等。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

通過(guò)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的管理和使用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研和分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室在使用和管理過(guò)程中存在的問(wèn)題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到具體的實(shí)驗(yàn)室管理中，建立了實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合成都市教育局立項(xiàng)的第一批重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室——成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室項(xiàng)目的具體情況，將實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用到該項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)中。應(yīng)用結(jié)果證明，實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了管理信息化，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室管理流程，有效地提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率和設(shè)備的利用率，降低了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化了師生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理上的信息化、智能化、自動(dòng)化。鑒于該實(shí)驗(yàn)室智能化管理系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室取得的成效，下一步準(zhǔn)備將該系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用，針對(duì)學(xué)院的農(nóng)學(xué)、畜牧類(lèi)等實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)管理進(jìn)行改進(jìn)，以及推廣應(yīng)用到其他高校和科研院所的實(shí)驗(yàn)室管理中。