罗乐1，王帅1，曾明昱2，朱万坤2，王明昭3，卢玥怡4
武汉科技大学，1：城市建设学院，2：计算机科学与技术学院，3：汽车与交通学院， 4：信息科学与工程学院 湖北武汉 430065
摘要：智能时代，将物联网技术应用于传统实验室管理，对提升科研创新活动效能有促进作用。探讨了利用物联网技术实现实验室环境数据搜集监测与实验设备信息管理的方案，进而设计了一套基于物联网的实验室管理协作系统，系统由物联网感知层、网络层、应用层的三层结构组成，旨在为探索实验室管理模式改革的方向起到参考作用。
关键词：物联网；实验室；管理协作
引言
随着新工科推进工作的深化，如何为工业界培养更能适应互联网产业化、工业智能化的人才成为各大高校思考的重要方向。实验教学成为高等院校培养人才的关键环节，这在一定程度上提高了实验室的利用率及经费投入。而伴随智能化新工科建设的却是传统的实验室管理运行模式。日益扩大的实验室规模及持续增长的实验设备数量，给传统实验室管理模式带来新的挑战，分析实验室环境数据由管理人员采集而带来的偏差与依靠传统人工方式记录设备信息所造成的不便随时查询等一系列问题，发现传统的实验室管理模式较难满足实际需要。如何顺应校园智能化提高的进程管理实验室成为需要解决的问题。
本文采用电子信息化方法，充分结合物联网技术与远程控制、获取信息的需求，研究总结出一套基于物联网的实验室管理协作系统，辅助管理人员高效监测实验室环境数据、便捷灵活管理实验设备，旨在利用物联网高新技术推动实验室建设走向智能化。
1 物联网介绍
1.1 物联网概述
物联网主要是指按照既定的协议，利用信息传感设备将网络与物体相连，从而进行信息交换和通信，实现智能化识别、监管等功能[1]的网络 。
1.2 物联网结构
一般来说，物联网整体结构分为感知层、网络层及应用层。
感知层通过利用各种类型的感知器识别区域物体以实现识别和采集；网路层作为物联网的核心，主要实现处理、传输、存储数据等；应用层则是智能化识别和管理物联网中各类物品[2]。
2 基于物联网的实验室管理协作系统的设计
2.1 设计需求及目标
为解决当前部分实验室对于仪器设备简单管理以及推广无纸化记录，平台提供仪器使用记录、数据云存储、仪器定期维护记录、物品使用登记表功能。通过软件，管理员可进行添加、删除、修改设备信息等。设置仪器异常报警系统，可对异常仪器进行监控并实时记录问题是否解决。
考虑实验室管理协作实际需求及实现可能性，管理协作系统分为公共设施管理模块及设备信息管理模块。通过利用模块内部可实现功能的硬件电路、传感器及网络通信技术，实时反馈信息，用户可使用App接收信息并远程操作。
2.2 总体设计
基于物联网的实验室管理协作系统从结构上划分可分为三层。
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该管理协作系统以物联网技术为核心，需要实现实验设备登记与管理、无线传输、环境信息感知等功能，并通过多功能的实现完成用于辅助管理、环境检测等方面的综合性管理系统的设计。
2.3 具体设计
主要通过感知层实现环境数据采集、网络层实现系统集成中控、应用层用于数据存储和交互。
2.3.1 数据采集
1. 公共设施管理模块设计
温湿度、烟雾等数据信息的采集主要利用无线传感网技术和传感器技术。选择ARM Cortex-M3作为微控制器、ZigBee模块用于无线传输。数据采集具体步骤为：放大传感器采集到的信号并传输到微控制器，再进行数据转换经ZigBee发送到服务器，最后接受应用程序使用和处理。
2. 设备信息管理模块设计
通过RFID阅读器采集仪器设备上RFID标签信息并发送给上位机，利用接口位置区分并配合视频监控、传感器监测设备运行状况确认仪器设备的准确位置。
2.3.2 集成中控
构建嵌入式系统，其硬件部分选用集成开发板，软件设计需要构建嵌入式操作系统及交叉编译环境，输入环境信息经过处理后由ZigBee无线网络进行传输。需要注意的是，应当在集成中控的硬件结构预留足够数量的接口以满足系统升级和功能扩充需要。
2.3.3 存储应用
采取SQL Server数据库进行处理和存储数据。考虑实验室的管理和使用，通过事先设定用户的分类信息以赋予其相应的操作访问权限。
应用部分则根据需求为用户提供环境监测数据或者实验设备信息。其功能主要在手机端应用得到体现。
3 基于物联网的实验室管理协作系统应用
3.1 公共设施管理
提供环境温湿度的实时监控数据，用户可根据外部设备对实验室温湿度进行调节。
3.2 设备信息管理
记录实验室仪器物品使用情况，能以天为单位准确调出设备信息记录。本模块还可通过分析统计所记录设备的使用次数、时长等相关信息，在为管理员决定仪器定期维护提供参考信息的同时，还方便设备使用者控制使用时长以及错峰使用设备。
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图1 公共设施—温湿度监测 图2 设备管理—使用仪器记录
4 结束语
科研技术革新、实验设备越发先进，必将带动相应的管理模式共同发展。作为未来工业技术竞争制高点、产业发展推动力的物联网，将其有机应用到实验室管理模式革新，将有效推动智慧实验室的建设。而随着科研活动对实验室的需求更加多样化，基于物联网的实验室管理协作模式还需继续研究和探讨。
参考文献
[1]聂跃光,户晓玲.基于物联网的实验室管理系统设计[J].物联网技术2020,10(06):98-101+105.
[2] 吴振强,周彦伟,马建峰.物联网安全传输模型[J].计算机学 报,2011,34(08):1351-1364.