導(dǎo)語：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式物理實驗室建設(shè)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】開放式物理實驗教學(xué)是當(dāng)前物理實驗教學(xué)改革的必然趨勢。為適用開放式實驗教學(xué)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實驗室系統(tǒng)建設(shè),實現(xiàn)了物理實驗室全天候安全開放，提高了實驗室的智能化管理水平。

【關(guān)鍵詞】開放式實驗室；物聯(lián)網(wǎng)；實驗室建設(shè)

為了適用開放式實驗教學(xué)，很多高校都開放物理實驗室，早期采用人工進行實驗室開放，或采用單機版的管理軟件進行開放管理，這些管理方式存在工作煩瑣，效率低下等弊端。例如，學(xué)生不能及時了解開放性實驗內(nèi)容以及實驗時間的信息；學(xué)生必須到實驗室去預(yù)約，由實驗室教師登記等。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，針對開放實驗室智能化管理需求，從不同角度出發(fā)，也提出了許多開放實驗室信息管理系統(tǒng)方案，如機房自動管理系統(tǒng)等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設(shè)備管理、實驗項目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計報表等方面，不同程度實現(xiàn)了實驗室的信息化管理，盡管如此，但除了計算機機房以外，其它開放普通實驗室，由于沒有計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大多存在自動化管理程度不高的問題。針對這種情況，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實驗室的管理，利用門禁、觸屏派位、視頻監(jiān)控、平板電腦終端、設(shè)備控制器與智能電源插座等，結(jié)合基于B/S結(jié)構(gòu)的開放式實驗室web管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了物理實驗室全天候安全開放，提高了開放實驗室的智能化管理水平。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，獲取各種應(yīng)用需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，它的主要作用是識別物體、采集信息。網(wǎng)絡(luò)層主要作用是進行信息和數(shù)據(jù)的傳輸，主要利用現(xiàn)有的比較成熟的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及移動通信技術(shù)。應(yīng)用層主要作用是將感知層采集到的信息和數(shù)據(jù)進行分析處理，在實際的環(huán)境中進行應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療等應(yīng)用。硬件系統(tǒng)主要集中在感知層和網(wǎng)絡(luò)層、軟件系統(tǒng)主要集中在應(yīng)用層，其中可能用到一些中間件技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可看出，物聯(lián)網(wǎng)從感知信息，傳輸信息，到處理應(yīng)用信息用到了若干技術(shù)，也涉及到許多硬件和軟件，物聯(lián)網(wǎng)是一個綜合性的概念和提法。

2硬件建設(shè)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式物理實驗室管理系統(tǒng)硬件支撐平臺如圖1所示。其中，開放式物理實驗室系統(tǒng)的服務(wù)器是根基，所有的硬件連接和很多軟件系統(tǒng)都集中在這個服務(wù)器上，服務(wù)器接入校園網(wǎng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、短信貓和觸屏派位系統(tǒng)直接與服務(wù)器連接，平板電腦終端通過校園無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接，所有的數(shù)據(jù)存儲在磁盤陣列中。實驗室中的各個設(shè)備的電源通過電源控制器經(jīng)過集線器、轉(zhuǎn)換器與觸摸屏的串口連接。硬件建設(shè)首先要對原有實驗室基礎(chǔ)設(shè)施（主要為強電、弱電、網(wǎng)絡(luò)改造）進行基本改造，然后增加監(jiān)控、門禁、物聯(lián)網(wǎng)終端等硬件設(shè)備，整合原有教學(xué)系統(tǒng)軟件，進行軟硬件系統(tǒng)集成。具體建設(shè)內(nèi)容有：（1）基礎(chǔ)設(shè)施改造：對實驗室進行弱電、網(wǎng)絡(luò)改造。要在門、實驗臺、監(jiān)控點布設(shè)弱電及網(wǎng)絡(luò)線路，為開放式實驗室的建設(shè)提供基本的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。（2）可視對講監(jiān)控系統(tǒng)：在實驗室安裝監(jiān)控攝像頭和對講終端。同時建設(shè)對講監(jiān)控服務(wù)設(shè)備，包含網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、交換機、監(jiān)控專用硬盤，保障監(jiān)控系統(tǒng)的高效、安全、穩(wěn)定運行。（3）門禁：在實驗室和樓層的走廊端安裝門禁。（4）觸控派位機：安裝觸控派位機。在實驗樓每層的走廊口安裝一臺派位機，配合開放式實驗室web管理系統(tǒng)軟件用于學(xué)生刷卡、信息查詢等。（5）觸控控制器：安裝觸控控制器。每臺觸控派位機配置1臺觸控控制器，用于觸控派位機與設(shè)備控制器的通信。（6）設(shè)備運行控制器：安裝設(shè)備運行控制器。每個實驗臺配置1臺設(shè)備控制器，作為開放式實驗室管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制終端，用于實驗臺電源遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸。（7）短信貓：配置1臺短信貓，安裝在服務(wù)器上。用于開放式實驗室預(yù)警信息、提示信息等。（8）PAD客戶端：建設(shè)pad客戶端。Pad客戶端的建設(shè)將實現(xiàn)整個開放式實驗室管理系統(tǒng)跨平臺使用，支持移動終端服務(wù)。使學(xué)生、教師能隨時隨地，方便快捷的使用系統(tǒng)。

3軟件系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式物理實驗室管理軟件平臺由實驗室WEB管理系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和平板電腦系統(tǒng)組成。WEB管理系統(tǒng)是開放式實驗室管理軟件系統(tǒng)的重要組成部分，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。結(jié)合實驗室開放實際需要，具有各種功能，包括：學(xué)生預(yù)約實驗、實驗室拓撲管理、預(yù)約信息管理、通知公告管理、預(yù)約規(guī)則管理、校園卡掛失管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計。本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過刷卡啟動電源控制器控制實驗臺電源從而達到開放使用的目的。系統(tǒng)細化各項管理，進一步提高了實驗教學(xué)的開放性和交互性；為學(xué)生提供了一個自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教師的開放教學(xué)提供了有力的基礎(chǔ)支持；為提高實驗儀器設(shè)備的利用率提供了更安全和便捷的保障。觸摸屏系統(tǒng)又稱為“電源控制子系統(tǒng)”，是開放式實驗室管理軟件系統(tǒng)的核心組成部分。開放式實驗室管理面臨的重大挑戰(zhàn)是安全的問題，這其中首當(dāng)其沖的就是用電的安全。通過電源控制子系統(tǒng)的學(xué)生座位電源控制模塊實現(xiàn)對學(xué)生用電的管理，是保證開放式實驗室安全的重要手段。電源控制子系統(tǒng)是通過管理柜員機（觸摸屏）和座位電源控制單元等硬件設(shè)施，實現(xiàn)實驗室座位的電源管理。觸控系統(tǒng)配置微型攝像頭，實現(xiàn)學(xué)生派位時照相功能，可有效的防止學(xué)生替代刷卡派位的現(xiàn)象發(fā)生。大屏幕觸控顯示屏可高清晰的顯示學(xué)生的彩色照片。整個電源控制系統(tǒng)主要面向兩個角色：學(xué)生和教師（管理員）。學(xué)生通過所持校園卡，請求使用實驗室座位，系統(tǒng)根據(jù)教師（管理員）定義的規(guī)則（排位規(guī)則），為學(xué)生分配座位，并自動啟動電源。在完成實驗后，通過刷卡關(guān)閉相應(yīng)的電源。教師（管理員）用戶通過系統(tǒng)登錄，在權(quán)限允許的條件下，遠程單獨或批量控制實驗室所有電源。教師通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在遠端查看實驗室情況，了解就位學(xué)生的信息，通過視頻觀察學(xué)生實驗狀態(tài)與視頻答疑。學(xué)生通過座位對講實時與教師就實驗問題進行討論。平板電腦系統(tǒng)是一套給實驗室管理者使用的便捷的APP客戶端系統(tǒng)（PAD），旨在提高開放式系統(tǒng)的使用便捷性，使管理層工作效率更加高效，從而更好的為本單位的開放實驗教學(xué)服務(wù)。平板電腦系統(tǒng)最重要的是統(tǒng)計功能。很多學(xué)校每年都要進行一次實驗室自評工作，工作量較大而且數(shù)據(jù)無依據(jù)，很多數(shù)據(jù)都是臨時“造”出來的。此統(tǒng)計功能可以根據(jù)實驗室或設(shè)備在過去一年或多年的使用記錄自動匯總成統(tǒng)計報表，省時省力且數(shù)據(jù)真實。

4建設(shè)取得的成效

我校從2013年開始進行開放式物理實驗教學(xué)改革和配套實驗室的建設(shè)，目前實驗室實現(xiàn)了全天候開放、遠程控制和智能化管理，學(xué)生通過網(wǎng)上預(yù)約，刷卡（支持校園卡）進入實驗室，在派位成功的實驗臺實驗?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的開放式實驗室建設(shè)已取得了一些成效，如：（1）全面開放實驗教學(xué)資源，提高實驗室、實驗儀器的利用率；（2）打破上課開門、下課關(guān)門的模式，為學(xué)生提供開放式教學(xué)服務(wù)，給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)環(huán)境；（3）保障實驗室安全的同時，提高教學(xué)質(zhì)量；（4）提高實驗室管理水平，為領(lǐng)導(dǎo)進行實驗室建設(shè)規(guī)劃時提供真實數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)。

作者:吳 萍 高興茹 單位:北京聯(lián)合大學(xué)基礎(chǔ)部

【參考文獻】

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