張皓瑜 陳媛媛

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，社會各行各業(yè)對其應(yīng)用的需求越來越迫切。高校作為國家培養(yǎng)人才的載體，更應(yīng)該落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室作為高校教育的重要組成部分，應(yīng)及時引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。基于此，本文首先探討物聯(lián)網(wǎng)的概念及原理，然后分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用，最后闡述應(yīng)用成效，以期為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);實(shí)驗(yàn)室管理;信息化

中圖分類號：G647;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0029-03

Internet of Things Technology in the Laboratory

ZHANG Haoyu CHEN Yuanyuan

（School of Information and Engineering， Sichuan Tourism University，Chengdu Sichuan 610100）

Abstract： With the rapid development of Internet of things technology， the demand for its application in all walks of life is more and more urgent. As the carrier of training talents， colleges and universities should apply the technology of physical networking. As an important part of college education， laboratory should introduce Internet of things technology in time. Based on this， this paper first discussed the concept and principle of the Internet of things， then analyzed the application of the Internet of things technology in university laboratory management， and finally described the application results， in order to provide a reference for the application of the Internet of things technology in the laboratory.

Keywords： Internet of Things;laboratory management;informatization

高校實(shí)驗(yàn)室作為一個獨(dú)立的系統(tǒng)，是高校發(fā)展學(xué)教研一體化的重要組成部分。近年來，高校辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，各高校在實(shí)驗(yàn)室硬件條件及信息化管理上的投入得到了較大提高。實(shí)驗(yàn)室物品是教學(xué)研究的基礎(chǔ)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的合理與否直接影響著高校管理以及教育的好壞。實(shí)驗(yàn)室的開放為學(xué)生提供了自主研發(fā)的場所與物資，在鼓勵學(xué)生自己動手、鞏固理論知識以及培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、探索未知的同時，也應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的合理化以及安全等問題。

實(shí)驗(yàn)室人多物雜，且長期以來主要采用人工管理的方式，實(shí)驗(yàn)室管理員承擔(dān)著設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計、保存、調(diào)試、檢修及更新等工作，加之面對大量的實(shí)驗(yàn)儀器以及流動的學(xué)生，管理員難免存在效率低下、容易出錯、管理不靈活、疲于應(yīng)付的問題。因此，各高校迫切需要引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行信息化開放式實(shí)驗(yàn)室管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及原理

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，只是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展。其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信[1]。物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念[2]。其由全球產(chǎn)品電子代碼（EPC）、射頻識別系統(tǒng)以及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三大部分組成。

射頻識別（RFID），又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，俗稱電子標(biāo)簽。其可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無須識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。RFID是一種非接觸操作，RFID標(biāo)簽具有體積小、壽命長、可應(yīng)用于惡劣環(huán)境、可重復(fù)使用、抗干擾能力強(qiáng)、讀取距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[3]。

RFID技術(shù)的工作原理：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理[4]。

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。其主要特點(diǎn)是低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee無線通信技術(shù)可于數(shù)以千計的微小傳感器相互間，依托專門的無線電標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成相互協(xié)調(diào)通信，因而，該項(xiàng)技術(shù)常被稱為Home RF Lite無線技術(shù)、FireFly無線技術(shù)[5]。ZigBee無線通信技術(shù)還可應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領(lǐng)域，可省去計算機(jī)設(shè)備、一系列數(shù)字設(shè)備相互間的有線電纜，且能實(shí)現(xiàn)多種不同數(shù)字設(shè)備相互間的無線組網(wǎng)，使其實(shí)現(xiàn)相互通信，或者接入因特網(wǎng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理

2.1 實(shí)驗(yàn)室物資管理

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室物資管理多采用標(biāo)簽管理，即將實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購入日期、使用情況等記錄在標(biāo)簽上張貼在設(shè)備旁。這種管理方式雖然清楚明了，但存在標(biāo)簽易破損、保存不易、更新麻煩等弊端。針對這一問題，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室的物資設(shè)備進(jìn)行智能化管理，如基于RFID技術(shù)，利用電子標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn)。每一個擁有唯一編碼的電子標(biāo)簽均可作為RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，用來存放被標(biāo)識物品的信息。電子標(biāo)簽由天線和芯片兩部分組成。其中，芯片主要用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計算，是標(biāo)簽的核心;天線是RFID系統(tǒng)在整個通信過程中的核心，系統(tǒng)通過天線接收讀寫器傳過來的信號，并將需要的數(shù)據(jù)再傳給讀寫器，經(jīng)過調(diào)制及解調(diào)處理后，最終，邏輯控制單元將閱讀器傳來的信號進(jìn)行譯碼處理，并將數(shù)據(jù)返回給讀寫器，存儲單元的功能是存放識別的數(shù)據(jù)以及保證整個RFID系統(tǒng)正常運(yùn)行[6]。電子標(biāo)簽如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)室中使用電子標(biāo)簽，可對符合固定資產(chǎn)的物理對象提供動態(tài)資產(chǎn)管理監(jiān)護(hù)功能，提供物理設(shè)備的履歷管理、初始批量導(dǎo)入、新增、批量分配調(diào)撥、借出歸還、維修返還、盤點(diǎn)清理、報廢、處置注銷的全生命周期流程化管理功能;同時，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺泛在互聯(lián)、動態(tài)綜合監(jiān)測、智能化控管的特點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)室管理員提供運(yùn)行維護(hù)動態(tài)監(jiān)管。管理員可通過電子標(biāo)簽實(shí)時掌握實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的全部信息，也可實(shí)時更新設(shè)備信息。

2.2 實(shí)驗(yàn)室安全管理

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室溫濕度調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室擁有大量的實(shí)驗(yàn)儀器，如電腦、服務(wù)器、交換機(jī)等。其中，服務(wù)器等對散熱性、通風(fēng)性、環(huán)境溫濕度的要求比較高，散熱不佳、通風(fēng)不良、溫濕度異常等都容易造成設(shè)備損壞。在傳統(tǒng)的人工管理模式下，實(shí)驗(yàn)室管理員無法每時每刻關(guān)注實(shí)驗(yàn)室的動態(tài)變化，也很難精確地調(diào)節(jié)到合適的物理環(huán)境。本文擬采用基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為三個模塊，即室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度數(shù)據(jù)傳輸模塊以及溫濕度數(shù)據(jù)處理模塊，然后通過無線路由器將數(shù)據(jù)實(shí)時同步到PC端和手機(jī)用戶端[7]。遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)流程如圖2所示。

室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度、濕度傳感器及節(jié)點(diǎn)模塊，節(jié)點(diǎn)模塊使用的是ZigBee芯片。室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸模塊主要分為兩層，一層用于與下層數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸，獲取采集到的數(shù)據(jù);另外一層用于與上層數(shù)據(jù)處理模塊通信，其中上層充當(dāng)了節(jié)點(diǎn)，下層采用自動形成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)處理模塊分為服務(wù)器進(jìn)程及客戶端進(jìn)程，服務(wù)器進(jìn)程接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)，客戶端進(jìn)程主要用于與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以獲得溫濕度數(shù)據(jù)。最后構(gòu)建局域網(wǎng)，讓管理員可以通過移動手機(jī)端獲得溫濕度數(shù)據(jù)。

2.2.2 火災(zāi)報警?；馂?zāi)也是高校實(shí)驗(yàn)室的一大安全隱患。傳統(tǒng)的煙霧報警器只能進(jìn)行當(dāng)場聲光報警，即只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)室周圍有人時才能起到火災(zāi)報警效果，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)室周圍無人時，并不能起到很好的提醒作用。對于這種情況，可采用新型煙霧報警器，即當(dāng)實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)煙霧時，不僅可以當(dāng)場進(jìn)行聲光警報，還可以將報警信息上傳至網(wǎng)關(guān)從而傳送到實(shí)驗(yàn)室管理員的手機(jī)端，這將在很大程度上減少火災(zāi)帶來的財產(chǎn)和人員損失。

新型的火災(zāi)報警器以火災(zāi)報警控制器為中心，在傳統(tǒng)火災(zāi)報警器內(nèi)嵌入網(wǎng)絡(luò)或GSM模塊，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)時，物聯(lián)網(wǎng)感知層即溫度傳感器以及煙霧傳感器等數(shù)據(jù)傳入火災(zāi)探測器中，火災(zāi)探測器進(jìn)行分析后在現(xiàn)場以聲光的形式進(jìn)行報警，并把相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交馂?zāi)報警控制器中，火災(zāi)報警控制器將相關(guān)火警信息在轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層即因特網(wǎng)上，數(shù)據(jù)送到應(yīng)用層，即實(shí)驗(yàn)室管理員手機(jī)端、安保中心等，即可有效實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報警。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)室智能無線監(jiān)控系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能無線監(jiān)控系統(tǒng)主要采用ZigBee，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)模塊的電路主要由無線路由器、協(xié)調(diào)器、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等部分組成。實(shí)驗(yàn)室管理員的手機(jī)、計算機(jī)等移動終端可利用無線路由器與監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)時觀看任意實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控。

3 應(yīng)用成效

在高校實(shí)驗(yàn)室中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，不僅大大解放了人工勞動力，而且實(shí)現(xiàn)了高效性、節(jié)能性、安全性。

高效性：利用射頻識別技術(shù)下的物資管理大大減少了對實(shí)驗(yàn)室物資管理的錯誤率，信息可隨時輸入、更改，容易保存;溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)也增長了儀器保存年限，能更加精準(zhǔn)地落實(shí)相關(guān)工作。

節(jié)能性：利用射頻技術(shù)的物資管理降低了對紙質(zhì)標(biāo)簽的使用，減少了資源浪費(fèi);溫濕度調(diào)節(jié)、火災(zāi)預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)整合連接起來，節(jié)約了運(yùn)行空間。

安全性：溫濕度調(diào)節(jié)、火災(zāi)報警等系統(tǒng)通過與移動設(shè)備的連接，能更加快捷高效地傳達(dá)信息。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室管理，通過引進(jìn)新的技術(shù)與設(shè)備，對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高效率、高質(zhì)量管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室智能管理也會不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會被運(yùn)用到各行各業(yè)。

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