周 瑞，李景宇，桑 楠

·實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理·

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的構(gòu)建

周 瑞，李景宇，桑 楠

(電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院，四川 成都 610054)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正在改變大眾的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，也為高校的實(shí)踐教學(xué)提供了新形式。該文研究了智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)以開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，以基本實(shí)驗(yàn)管理流程為核心，包括實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約、門(mén)禁控制與考勤管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、學(xué)生上機(jī)管理、實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控等功能。系統(tǒng)構(gòu)建采用服務(wù)器瀏覽器模式，突破了時(shí)間空間限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)管理員、教師和學(xué)生之間互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)放管理平臺(tái)。實(shí)踐證明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)踐教學(xué)提供一種便捷高效的管理方式，極大減輕實(shí)驗(yàn)管理員的負(fù)擔(dān)，提高教師的工作效率和效果。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧實(shí)驗(yàn)室；門(mén)禁控制；考勤管理；設(shè)備管理；實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)室是高校的基本構(gòu)成單元，是學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐能力訓(xùn)練的重要場(chǎng)所，在高校人才培養(yǎng)中發(fā)揮著極其重要的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要對(duì)學(xué)生上課進(jìn)行考勤，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)學(xué)生上機(jī)進(jìn)行管理，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也需要進(jìn)行監(jiān)控，從而保證實(shí)驗(yàn)課程以及后續(xù)課程的順利進(jìn)行。對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)生考勤，大多數(shù)學(xué)校仍采用傳統(tǒng)的點(diǎn)名或者簽到方式，占用了正常上課時(shí)間且無(wú)法杜絕代簽現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的情況也比較混亂，大多數(shù)學(xué)校目前沒(méi)有有效的方法進(jìn)行管理。實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理仍采用手工方式，設(shè)備的借用、歸還以及損壞往往不能得到及時(shí)記錄，影響設(shè)備的正常使用。實(shí)驗(yàn)室通常沒(méi)有行之有效的安全防護(hù)措施，防火防盜工作不到位，給實(shí)驗(yàn)室留下安全隱患。實(shí)驗(yàn)室也沒(méi)有有效的節(jié)能措施，導(dǎo)致電力和網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

實(shí)驗(yàn)室存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間不確定、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多樣、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多變、實(shí)驗(yàn)對(duì)象多層次和多專(zhuān)業(yè)等問(wèn)題。這種不確定性和多樣性，給教師和實(shí)驗(yàn)管理員增加了工作量和繁瑣度。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]構(gòu)建智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)是一種必然的趨勢(shì)，是提升高校實(shí)踐教學(xué)水平的有效平臺(tái)[2]。智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)通常涉及實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約、門(mén)禁控制與考勤管理、學(xué)生上機(jī)管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理和實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控等方面。根據(jù)預(yù)約的實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)學(xué)生或教師刷卡自動(dòng)進(jìn)行門(mén)禁控制和上課考勤，自動(dòng)控制和記錄學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的使用，自動(dòng)控制對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的借用和歸還以及使用情況記錄，采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行全時(shí)段監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)的安防節(jié)能控制。智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)不僅能夠使實(shí)驗(yàn)室的資源得到合理利用，并且能夠使實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)課程的管理更加高效便捷，從而創(chuàng)造一個(gè)良好的教學(xué)氛圍，提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和效果[4-7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部署

智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是依托校園網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)管理員、教師和學(xué)生互動(dòng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放的管理平臺(tái)。系統(tǒng)由服務(wù)器、控制終端和用戶(hù)瀏覽器組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)服務(wù)器是一組服務(wù)器，包括Web服務(wù)器、管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù) (DB)服務(wù)器和視頻服務(wù)器。Web服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)查詢(xún)和管理操作的入口，通過(guò)Internet向教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)管理員提供遠(yuǎn)程查詢(xún)、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)管理、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)配置等功能。實(shí)驗(yàn)管理員可以遠(yuǎn)程對(duì)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控，教師可以遠(yuǎn)程對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行管理，學(xué)生可以遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約并查詢(xún)自己的實(shí)驗(yàn)和考勤記錄。管理服務(wù)器作為系統(tǒng)的中央控制單元，負(fù)責(zé)接收來(lái)自各控制終端和Web服務(wù)器的請(qǐng)求，進(jìn)行相應(yīng)處理并進(jìn)行應(yīng)答，同時(shí)將接收到的各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)禁、考勤、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室本身的管理。所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器統(tǒng)一存儲(chǔ)并提供訪問(wèn)接口。視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)和傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。服務(wù)器系統(tǒng)平臺(tái)為Windows Server，采用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和部署

系統(tǒng)的控制終端包括門(mén)禁控制與考勤管理終端、計(jì)算機(jī)管理終端、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理終端、實(shí)驗(yàn)室綜合管理終端和視頻監(jiān)控終端，如圖1所示。門(mén)禁控制與考勤管理[8]終端包括門(mén)禁控制器、刷卡器、電控鎖等。用戶(hù)刷卡后，門(mén)禁控制器讀取卡內(nèi)信息，向管理服務(wù)器發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求，認(rèn)證通過(guò)后，門(mén)禁控制器驅(qū)動(dòng)電控鎖，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室大門(mén)，同時(shí)管理服務(wù)器進(jìn)行考勤記錄。計(jì)算機(jī)管理終端指連接有刷卡器的學(xué)生實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上運(yùn)行駐留程序。開(kāi)機(jī)時(shí)，駐留程序鎖定系統(tǒng)并彈出刷卡提示窗口，學(xué)生刷卡后，駐留程序讀取卡內(nèi)信息并向管理服務(wù)器發(fā)出認(rèn)證請(qǐng)求，認(rèn)證通過(guò)后，駐留程序解鎖計(jì)算機(jī)進(jìn)入正常使用界面。實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理終端包括設(shè)備柜控制器、RFID[9](射頻識(shí)別)讀寫(xiě)器、刷卡器和電控鎖。設(shè)備柜控制器通過(guò)RFID讀寫(xiě)器實(shí)時(shí)獲取設(shè)備柜內(nèi)的設(shè)備信息，上報(bào)給管理服務(wù)器，與服務(wù)器協(xié)同完成對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理和控制。設(shè)備柜控制器連接刷卡器，根據(jù)對(duì)刷卡信息的認(rèn)證結(jié)果，通過(guò)電控鎖控制設(shè)備柜門(mén)的開(kāi)關(guān)。實(shí)驗(yàn)室綜合管理終端包括多功能網(wǎng)關(guān)、多種傳感器、電源控制器、窗簾控制器和聲光報(bào)警器。多功能網(wǎng)關(guān)是實(shí)驗(yàn)室綜合管理終端中的核心設(shè)備，與服務(wù)器協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制，負(fù)責(zé)采集傳感器[3]數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，接收服務(wù)器下發(fā)的命令對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的電器進(jìn)行控制。網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)為ARM，軟件平臺(tái)為L(zhǎng)inux，采用C＋＋語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。傳感器包括紅外傳感器、煙霧傳感器、窗磁傳感器、照度傳感器和溫濕度傳感器，控制的電器包括照明、窗簾、風(fēng)扇等。多功能網(wǎng)關(guān)連接聲光報(bào)警器，異常情況下觸發(fā)聲光報(bào)警。視頻監(jiān)控終端包括數(shù)字視頻錄像機(jī)和攝像頭。數(shù)字視頻錄像機(jī)的視頻輸入口一通道和二通道分別接入2個(gè)模擬攝像頭 (槍機(jī))，可實(shí)現(xiàn)H.264的編解碼功能，本機(jī)提供主輔2種碼流同時(shí)編碼。主碼流本地存儲(chǔ)，確保圖像高質(zhì)量；輔碼流網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，解決帶寬問(wèn)題。數(shù)字視頻錄像機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與視頻服務(wù)器的通信，對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼處理并完成傳輸和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約

智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)允許通過(guò)Web頁(yè)面遠(yuǎn)程預(yù)約實(shí)驗(yàn)課程，包括教師授課預(yù)約、學(xué)生上課預(yù)約和學(xué)生自習(xí)預(yù)約3種形式。預(yù)約的實(shí)驗(yàn)課程需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)管理員確認(rèn)后才能生效。門(mén)禁控制和考勤管理、學(xué)生上機(jī)管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理中的人員身份認(rèn)證均以實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約為認(rèn)證依據(jù)。教師申請(qǐng)授課預(yù)約時(shí)，需填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)課程名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)、授課時(shí)間、人數(shù)上限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等信息。系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間是否存在沖突和實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否足夠。教師提交授課預(yù)約申請(qǐng)后，等待實(shí)驗(yàn)管理員審核該預(yù)約申請(qǐng)，只有審核通過(guò)的預(yù)約請(qǐng)求才能安排成為實(shí)驗(yàn)課程。學(xué)生申請(qǐng)上課預(yù)約的前提是授課教師已提交該實(shí)驗(yàn)課程的授課預(yù)約申請(qǐng)并且審核通過(guò)。學(xué)生申請(qǐng)過(guò)程中，系統(tǒng)需要檢查申請(qǐng)上課的人數(shù)是否超過(guò)限制，如果未超出，則申請(qǐng)成功并自動(dòng)分配計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生自習(xí)預(yù)約指學(xué)生可以預(yù)約自習(xí)實(shí)驗(yàn)，即沒(méi)有教師上課的實(shí)驗(yàn)。申請(qǐng)自習(xí)預(yù)約時(shí)，學(xué)生需填寫(xiě)關(guān)聯(lián)課程名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng)、自習(xí)時(shí)間等信息。系統(tǒng)自動(dòng)檢查有無(wú)時(shí)間沖突以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否可用，申請(qǐng)成功后自動(dòng)分配計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2.2 門(mén)禁控制與考勤管理

門(mén)禁控制和考勤管理是實(shí)驗(yàn)室管理的重要組成部分，包括進(jìn)門(mén)控制、出門(mén)控制、考勤記錄和日志記錄。門(mén)禁控制和考勤管理終端和服務(wù)器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出門(mén)的控制和對(duì)考勤的管理?？记诮Y(jié)果通過(guò)Web服務(wù)器進(jìn)行查詢(xún)和維護(hù)。學(xué)生可以查詢(xún)自己的考勤信息，教師可以查詢(xún)并維護(hù)與自己課程相關(guān)的考勤信息，而實(shí)驗(yàn)管理員可以維護(hù)所有考勤信息。

學(xué)生和教師在有實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約的前提下，可以在上課時(shí)通過(guò)身份認(rèn)證進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)門(mén)時(shí)，學(xué)生或教師刷卡，門(mén)禁控制器獲取刷卡信息，請(qǐng)求管理服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。管理服務(wù)器根據(jù)收到的刷卡信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)預(yù)約信息判斷該學(xué)生或教師能否進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，返回認(rèn)證結(jié)果給門(mén)禁控制器。如果認(rèn)證通過(guò)，門(mén)禁控制器顯示系統(tǒng)分配給該學(xué)生的計(jì)算機(jī)編號(hào)和設(shè)備編號(hào)，驅(qū)動(dòng)電控鎖打開(kāi)大門(mén)，同時(shí)進(jìn)行考勤記錄和日志記錄。有實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約的學(xué)生如果在上課時(shí)間未到實(shí)驗(yàn)室，服務(wù)器會(huì)進(jìn)行缺勤提醒，并以短信或者郵件的形式通知該學(xué)生。

學(xué)生和教師離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室同樣需要認(rèn)證，防止非法攜帶實(shí)驗(yàn)設(shè)備出門(mén)。出門(mén)時(shí)，學(xué)生或教師需要刷卡，門(mén)禁控制器獲取刷卡信息，請(qǐng)求管理服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。管理服務(wù)器根據(jù)收到的刷卡信息檢查該學(xué)生所借實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否已歸還，返回認(rèn)證結(jié)果給門(mén)禁控制器。如果認(rèn)證通過(guò)，門(mén)禁控制器驅(qū)動(dòng)電控鎖打開(kāi)大門(mén)，學(xué)生或教師才能離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)系統(tǒng)記錄考勤和日志。對(duì)于未到下課時(shí)間提早離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，考勤記錄其為早退。

2.3 學(xué)生上機(jī)管理

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，使用計(jì)算機(jī)之前仍需要進(jìn)行身份認(rèn)證，認(rèn)證通過(guò)后方可使用計(jì)算機(jī)。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都安裝有駐留程序，并連接刷卡器。計(jì)算機(jī)開(kāi)啟時(shí)，駐留程序鎖定系統(tǒng)并彈出刷卡提示窗口，學(xué)生刷卡后，駐留程序獲取刷卡信息，請(qǐng)求管理服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。管理服務(wù)器根據(jù)刷卡信息和實(shí)驗(yàn)預(yù)約信息以及計(jì)算機(jī)分配信息進(jìn)行認(rèn)證，確保學(xué)生使用的是分配給他的計(jì)算機(jī)，返回認(rèn)證結(jié)果給駐留程序。如果認(rèn)證通過(guò)，駐留程序解鎖系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)正常使用界面。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生使用。計(jì)算機(jī)的正常使用和出現(xiàn)的異常，駐留程序都會(huì)進(jìn)行記錄，并發(fā)送給管理服務(wù)器。管理服務(wù)器將這些信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，管理員能隨時(shí)通過(guò)Web頁(yè)面查詢(xún)計(jì)算機(jī)的使用情況。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理

實(shí)驗(yàn)中需要用到實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備存放在設(shè)備柜中。每個(gè)設(shè)備柜由一個(gè)設(shè)備柜控制器控制，設(shè)備柜控制器連接刷卡器、電控鎖和RFID讀寫(xiě)器。RFID讀寫(xiě)器會(huì)對(duì)設(shè)備柜中的設(shè)備進(jìn)行周期掃描，檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備柜中的設(shè)備及其狀態(tài)[10]。

學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需要進(jìn)行身份認(rèn)證。通過(guò)學(xué)生刷卡，設(shè)備柜控制器獲取學(xué)生刷卡信息，請(qǐng)求管理服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。管理服務(wù)器檢查該學(xué)生的預(yù)約設(shè)備所在設(shè)備柜編號(hào)與當(dāng)前刷卡設(shè)備柜編號(hào)是否一致，返回驗(yàn)證結(jié)果給設(shè)備柜控制器。若驗(yàn)證通過(guò)，設(shè)備柜控制器驅(qū)動(dòng)電控鎖打開(kāi)設(shè)備柜門(mén)，學(xué)生可以取出并使用設(shè)備，系統(tǒng)記錄設(shè)備借用情況。取出設(shè)備之后，學(xué)生應(yīng)及時(shí)將設(shè)備柜門(mén)關(guān)上，設(shè)備柜控制器會(huì)觸發(fā)關(guān)門(mén)掃描，由RFID讀寫(xiě)器對(duì)設(shè)備柜中的設(shè)備進(jìn)行掃描，確認(rèn)學(xué)生取出的設(shè)備是其預(yù)約的設(shè)備。若學(xué)生打開(kāi)設(shè)備柜門(mén)后一段時(shí)間內(nèi)不執(zhí)行關(guān)門(mén)操作，或者取出的設(shè)備和預(yù)約的設(shè)備不一致，則設(shè)備柜控制器報(bào)警。

設(shè)備使用完畢，需要?dú)w還到設(shè)備柜中，同樣需要身份認(rèn)證。通過(guò)學(xué)生刷卡，設(shè)備柜控制器獲取學(xué)生刷卡信息，請(qǐng)求管理服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。管理服務(wù)器驗(yàn)證該學(xué)生的預(yù)約設(shè)備所在設(shè)備柜編號(hào)與當(dāng)前刷卡設(shè)備柜編號(hào)是否一致，返回驗(yàn)證結(jié)果給設(shè)備柜控制器。若驗(yàn)證通過(guò)，設(shè)備柜控制器驅(qū)動(dòng)電控鎖打開(kāi)設(shè)備柜門(mén)，學(xué)生歸還所使用設(shè)備。之后關(guān)上設(shè)備柜門(mén)，設(shè)備柜控制器觸發(fā)關(guān)門(mén)掃描，由RFID讀寫(xiě)器對(duì)設(shè)備柜中的設(shè)備進(jìn)行掃描，確認(rèn)學(xué)生歸還的設(shè)備是其取出的設(shè)備。若學(xué)生打開(kāi)設(shè)備柜門(mén)后一段時(shí)間內(nèi)不執(zhí)行關(guān)門(mén)操作，或者歸還的設(shè)備和取用的設(shè)備不一致，則設(shè)備柜控制器報(bào)警。

2.5 實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控通過(guò)安裝在實(shí)驗(yàn)室中的傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行全時(shí)段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)環(huán)境變化對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電器設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，以起到防火、防盜和節(jié)能的目的。實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)控終端包括多功能網(wǎng)關(guān)、傳感器和電器。多功能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)采集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳至管理服務(wù)器，管理服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制[11-12]，返回控制命令給多功能網(wǎng)關(guān)，再由多功能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行電器節(jié)點(diǎn)的控制，如開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)風(fēng)扇、報(bào)警等。實(shí)驗(yàn)管理員能隨時(shí)通過(guò)Web頁(yè)面觀察實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和電控記錄，并能夠通過(guò)遠(yuǎn)程方式控制實(shí)驗(yàn)室電器。實(shí)驗(yàn)室中常用的傳感器包括:紅外傳感器、煙霧傳感器、窗磁傳感器、照度傳感器、溫濕度傳感器等，如表1所示。常用的可控制的電器包括照明、窗簾、風(fēng)扇等。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)

由于實(shí)驗(yàn)室采用不同類(lèi)型的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境的不同方面，為保證實(shí)驗(yàn)室資源的安全性并減少能源消耗，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制策略。智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制策略有以下4個(gè)方面:1)煙霧傳感器能夠監(jiān)測(cè)煙霧濃度，一旦發(fā)現(xiàn)煙霧濃度過(guò)高，則可能是發(fā)生了火災(zāi)，此時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警并迅速打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室大門(mén)；2)在監(jiān)控時(shí)段內(nèi)，如夜間，為防止非法人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，紅外傳感器和窗磁傳感器會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行防盜監(jiān)控，一旦監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)室有人或者窗戶(hù)被打開(kāi)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行防盜報(bào)警；3)在監(jiān)控時(shí)段內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室照明可能因?yàn)橛脩?hù)遺忘而未關(guān)閉，如果照度傳感器監(jiān)測(cè)到光照強(qiáng)度過(guò)高，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室照明，以達(dá)到節(jié)能目的；4)在監(jiān)控時(shí)段內(nèi)，為防止實(shí)驗(yàn)室溫度過(guò)高或過(guò)低對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室資源及人員造成負(fù)面影響，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室溫度以及實(shí)驗(yàn)管理員預(yù)先設(shè)置的溫度閾值，打開(kāi)風(fēng)扇或者空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

新技術(shù)總是在不斷改變我們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來(lái)得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)方面。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用，闡述了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的構(gòu)建及其對(duì)實(shí)驗(yàn)課程管理的影響。本文智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)提供了一個(gè)智能化的、網(wǎng)絡(luò)化的、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)門(mén)禁控制與自動(dòng)考勤管理、有序的學(xué)生上機(jī)管理、高效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理和安全節(jié)能的實(shí)驗(yàn)室綜合監(jiān)測(cè)與控制。該系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在多個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室中，使用效果良好。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智慧實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)會(huì)在教育和科研領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

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Construction of Smart Laboratory System Based on Internet of Things

ZHOU Rui， LI Jingyu， SANG Nan
(School of Information and Software Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

The development of Internet of Things has been changed our styles from working，studying and living.It also provides a new form for the experimental teaching in the universities..This paper aims at studying the open experimental teaching of intelligent laboratory system，taking the basic experiment management process as the core，including the function of experimental course scheduling， entrance controlling and attendance management， device management， computer management， laboratory monitoring and management.The system is constructed with browser-server architecture and establishes an open management platform for teachers，students and laboratory administrators， and so on.The system is built by using the server browser model， which can break the time and space constraints.Then the teachers and students of the interactive network on the open management platform can achieve the experimental administrator.It is proved that the intelligent laboratory system based on the Internet of Things technology can give full play to the advantages of the new technology， provide a convenient and efficient management way for the practice teaching， greatly reduce the burden of the experiment manager and improve the work efficiency and effect of the teachers.

Internet of Things； smart laboratory； entrance control； attendance management； device management； laboratory monitor

G434

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.036

2016-02-24；修改日期:2017-09-07

周瑞(1974-)，女，博士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、普適計(jì)算方面的研究。