物联网技术的开放式物理实验室建设

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【摘要】开放式物理实验教学是当前物理实验教学改革的必然趋势。为适用开放式实验教学，将物联网技术应用于开放实验室系统建设,实现了物理实验室全天候安全开放，提高了实验室的智能化管理水平。

【关键词】开放式实验室；物联网；实验室建设

为了适用开放式实验教学，很多高校都开放物理实验室，早期采用人工进行实验室开放，或采用单机版的管理软件进行开放管理，这些管理方式存在工作烦琐，效率低下等弊端。例如，学生不能及时了解开放性实验内容以及实验时间的信息；学生必须到实验室去预约，由实验室教师登记等。近年来，随着网络信息技术的发展，针对开放实验室智能化管理需求，从不同角度出发，也提出了许多开放实验室信息管理系统方案，如机房自动管理系统等，这些方案在实验室信息管理、人员管理、设备管理、实验项目管理、预约管理、系统管理、统计报表等方面，不同程度实现了实验室的信息化管理，尽管如此，但除了计算机机房以外，其它开放普通实验室，由于没有计算机及网络设备，大多存在自动化管理程度不高的问题。针对这种情况，我们将物联网技术应用于开放实验室的管理，利用门禁、触屏派位、视频监控、平板电脑终端、设备控制器与智能电源插座等，结合基于B/S结构的开放式实验室web管理系统软件，实现了物理实验室全天候安全开放，提高了开放实验室的智能化管理水平。

1物联网技术

物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，获取各种应用需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网的体系架构由感知层、网络层和应用层组成。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，它的主要作用是识别物体、采集信息。网络层主要作用是进行信息和数据的传输，主要利用现有的比较成熟的计算机网络技术及移动通信技术。应用层主要作用是将感知层采集到的信息和数据进行分析处理，在实际的环境中进行应用，是物联网和用户（人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用，如智能电网、智能交通、智能医疗等应用。硬件系统主要集中在感知层和网络层、软件系统主要集中在应用层，其中可能用到一些中间件技术、系统集成技术等。从物联网的体系架构可看出，物联网从感知信息，传输信息，到处理应用信息用到了若干技术，也涉及到许多硬件和软件，物联网是一个综合性的概念和提法。

2硬件建设

基于物联网技术的开放式物理实验室管理系统硬件支撑平台如图1所示。其中，开放式物理实验室系统的服务器是根基，所有的硬件连接和很多软件系统都集中在这个服务器上，服务器接入校园网。视频监控系统、门禁系统、短信猫和触屏派位系统直接与服务器连接，平板电脑终端通过校园无线网络与服务器连接，所有的数据存储在磁盘阵列中。实验室中的各个设备的电源通过电源控制器经过集线器、转换器与触摸屏的串口连接。硬件建设首先要对原有实验室基础设施（主要为强电、弱电、网络改造）进行基本改造，然后增加监控、门禁、物联网终端等硬件设备，整合原有教学系统软件，进行软硬件系统集成。具体建设内容有：（1）基础设施改造：对实验室进行弱电、网络改造。要在门、实验台、监控点布设弱电及网络线路，为开放式实验室的建设提供基本的网络环境。（2）可视对讲监控系统：在实验室安装监控摄像头和对讲终端。同时建设对讲监控服务设备，包含网络硬盘录像机、交换机、监控专用硬盘，保障监控系统的高效、安全、稳定运行。（3）门禁：在实验室和楼层的走廊端安装门禁。（4）触控派位机：安装触控派位机。在实验楼每层的走廊口安装一台派位机，配合开放式实验室web管理系统软件用于学生刷卡、信息查询等。（5）触控控制器：安装触控控制器。每台触控派位机配置1台触控控制器，用于触控派位机与设备控制器的通信。（6）设备运行控制器：安装设备运行控制器。每个实验台配置1台设备控制器，作为开放式实验室管理系统的物联网控制终端，用于实验台电源远程控制、数据传输。（7）短信猫：配置1台短信猫，安装在服务器上。用于开放式实验室预警信息、提示信息等。（8）PAD客户端：建设pad客户端。Pad客户端的建设将实现整个开放式实验室管理系统跨平台使用，支持移动终端服务。使学生、教师能随时随地，方便快捷的使用系统。

3软件系统组成

基于物联网技术的开放式物理实验室管理软件平台由实验室WEB管理系统、触摸屏系统、视频监控系统和平板电脑系统组成。WEB管理系统是开放式实验室管理软件系统的重要组成部分，是整个系统的基础。结合实验室开放实际需要，具有各种功能，包括：学生预约实验、实验室拓扑管理、预约信息管理、通知公告管理、预约规则管理、校园卡挂失管理、数据统计。本系统采用物联网技术，通过刷卡启动电源控制器控制实验台电源从而达到开放使用的目的。系统细化各项管理，进一步提高了实验教学的开放性和交互性；为学生提供了一个自主的学习环境，为教师的开放教学提供了有力的基础支持；为提高实验仪器设备的利用率提供了更安全和便捷的保障。触摸屏系统又称为“电源控制子系统”，是开放式实验室管理软件系统的核心组成部分。开放式实验室管理面临的重大挑战是安全的问题，这其中首当其冲的就是用电的安全。通过电源控制子系统的学生座位电源控制模块实现对学生用电的管理，是保证开放式实验室安全的重要手段。电源控制子系统是通过管理柜员机（触摸屏）和座位电源控制单元等硬件设施，实现实验室座位的电源管理。触控系统配置微型摄像头，实现学生派位时照相功能，可有效的防止学生替代刷卡派位的现象发生。大屏幕触控显示屏可高清晰的显示学生的彩色照片。整个电源控制系统主要面向两个角色：学生和教师（管理员）。学生通过所持校园卡，请求使用实验室座位，系统根据教师（管理员）定义的规则（排位规则），为学生分配座位，并自动启动电源。在完成实验后，通过刷卡关闭相应的电源。教师（管理员）用户通过系统登录，在权限允许的条件下，远程单独或批量控制实验室所有电源。教师通过视频监控系统可在远端查看实验室情况，了解就位学生的信息，通过视频观察学生实验状态与视频答疑。学生通过座位对讲实时与教师就实验问题进行讨论。平板电脑系统是一套给实验室管理者使用的便捷的APP客户端系统（PAD），旨在提高开放式系统的使用便捷性，使管理层工作效率更加高效，从而更好的为本单位的开放实验教学服务。平板电脑系统最重要的是统计功能。很多学校每年都要进行一次实验室自评工作，工作量较大而且数据无依据，很多数据都是临时“造”出来的。此统计功能可以根据实验室或设备在过去一年或多年的使用记录自动汇总成统计报表，省时省力且数据真实。

4建设取得的成效

我校从2013年开始进行开放式物理实验教学改革和配套实验室的建设，目前实验室实现了全天候开放、远程控制和智能化管理，学生通过网上预约，刷卡（支持校园卡）进入实验室，在派位成功的实验台实验。基于物联网技术的开放式实验室建设已取得了一些成效，如：（1）全面开放实验教学资源，提高实验室、实验仪器的利用率；（2）打破上课开门、下课关门的模式，为学生提供开放式教学服务，给学生提供自主学习环境；（3）保障实验室安全的同时，提高教学质量；（4）提高实验室管理水平，为领导进行实验室建设规划时提供真实数据作为决策依据。

作者:吴 萍 高兴茹 单位:北京联合大学基础部

【参考文献】

［1］孙其博,刘杰.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

［2］宋国利,盖功琪,苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(2):91-93.

［3］王为,王春潮.关于开放式实验室建设的思考与探索[J].实验室研究与探索,2009,28(4):272-273.