基于物联网的高校智能化实验室管理系统研究
1 研究意义
高校实验室是培养理论与实践相结合的、符合当今社会发展需要的高级人才的基地。如何提高实验教学水平、加强实验室管理、突出创新教育是当前高校实验室管理面临的一个重要课题。
目前高校实验室多采用封闭式管理模式，各院系独立建设、管理本学科的实验室。实验室过于分散，管理工作繁琐，实验设备和物品的储存、维护、安全得不到保障。各实验室之间缺少资源共享、信息互通，既不利于学生进行综合设计型实验，也不利于科研协作和学科渗透，阻碍了学生创新能力的培养。为此，本文设计了一种基于物联网的高校智能化实验室管理系统。
2 物联网技术概述
从“智慧地球”理念到“感知中国”概念的提出，随着全球一体化、工业自动化和信息化进程的不断深入，物联网时代悄然来临[1]。物联网（Internet of Things）是通过运用射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。通俗地说，物联网就是物物相连的互联网。
目前，物联网的关键技术主要有射频识别技术、传感器技术、ZigBee技术等。
RFID（Radio Frequency Identifaction）即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。RFID系统由读写器、电子标签和天线组成。读写器包括固定式读写器与手持式阅读器。
ZigBee技术是一种新兴的低功耗、低成本、高容错性的短距离通信技术。
3 基于物联网的智能化实验室管理系统的设计
3.1 系统整体设计方案
该系统是一个无线传感网络。硬件方面，预先在每间实验室安装门禁控制器、ZigBee无线节点、温度传感器、湿度传感器和光照传感器。每件实验设备、物品，实物实验报告、作业贴有RFID标签。每个实验操作平台配备手持阅读器。软件方面，需要在物联网的终端安装管理系统的软件。
3.2 系统各模块功能
该系统由七大功能模块组成。
3.2.1 管理员登录
该系统软件只允许管理员登录后才能使用，如果不是管理员则需要先注册。
3.2.2 网络管理
实现网络连接状态的查看和设置。
3.2.3 使用人员管理
所有人员必须使用身份卡进出实验室，门禁控制器利用射频识别技术识别进出实验室的人员身份，数据库里能够检测到的人员能够直接进入实验，而临时人员需要进行系统登记后才能进入。
3.2.4 实验室设置
远程控制ZigBee无线节点，对实验室的基本信息进行日常管理，显示实验室的动态使用状况。为了能给学生提供宽松的实验条件，通过开放实验室，学生能够预约课余时间来做实验。如图1所示，根据开放日期，查看学生提交的预约申请。
3.2.5 实验教学管理
（1）教师和学生考勤管理。当教师、学生进入实验室，门禁控制器识别身份卡，将进入、离开的时间记录在软件上，实现教师、学生的自动考勤。
（2）实验项目管理。为了规范实验教学内容，需要教师预先录入每门实验课程的教学计划、实验大纲、多媒体教案、基础实验项目、综合实训项目、操作规程以及实验示例等教学资源。学生随时可以下载相关教学资源进行阅读和操作练习，有助于提高学生自主学习的能力。
（3）实验过程实时监控。对所有实验室设备、物品的状况进行监控，比如实验过程中，哪些设备能正常使用，哪些发生故障。同时还可监控学生的实验过程，及时发现学生学习中存在的问题，教师进行集中讲解，提高学习效率。
（4）实验作业和成绩管理。实验完成后学生可以通过该RFID技术将实物实验报告、作业或实验结果上传到系统进行储存，便于管理员、教师批改作业、统计分析学生实验成绩，当课程结束时学生能够查看自己每次的作业成绩，以及该门课程的总评成绩。
（5）交流讨论。实验前，教师可以通过该模块向学生发布实验管理规章制度，布置实验任务，与学生进行实验方法的讨论，增加学生与教师、学生之间的互动。
3.2.6 实验设备和物品管理
每件实验设备、物品贴的标签上载有对应的编号、名称、状态、购置日期、维修记录等信息，实现了信息智能储存功能。使用人员通过手持阅读器识别领用的设备、物品上标签，将它们的基本信息反馈到如图3所示的界面上，有利于实验人员提前了解设备、物品的基本资料，还可以对它们进行定位、跟踪，显示使用人员身份，有效地监管了实验设备、物品的使用状态，防止有人将它们任意拿出实验室。另外RFID标签还能实现相同或不同实验室的设备、物品间进行通信，高效地利用了资源。
3.2.7 环境监测
实验室的环境决定了实验物品的保存情况，比如有些实验物品必须存放在阴凉、防潮、避光的环境中。实验物品保存完好时，才能使实验正常进行，获得预期的实验结果。因此，利用已安装的各类传感器进行动态实时监测，将每间实验室的温度、湿度以及光照情况发送到如图3所示的系统软件。当发现环境异常时，对空调、吊灯以及多媒体进行远程控制。比如检测到某间实验室湿度不足，则自动控制空调进行湿度调整，使环境达到舒适状态。当某间实验室处于空闲状态，空调、吊灯、多媒体仍然运行时，能远程关闭，实现节能减耗。
4 结语
将物联网技术应用于高校实验室管理系统中，在实现智能化管理的同时，也能实现物与物、人与物的相互通信，既有助于提高管理效率，又能保障实验室的安全。
