基于物联网技术的实验室智能管控一体化建设 | 干货分享

进入新时代后，物联网技术的发展速度越来越快，应用范围越来越广，给各行各业带来了深刻的变革。我国在进行实验室建设和管理的过程中，不可避免的存在实验室利用效率不高的问题，同时由于管理不到位导致大量实验器材出现损坏或控制的情况，严重影响了实验的正常进行。因此，通过互联网技术的有效应用，促实验室智能管控一体化建设，不仅能够进一步提高实验室的使用效率，还能够为学生提供更加优质的实验室服务，有利于促进学习效率和教学效率的提升，加强学校的管理质量和管理水平，为教学科研工作奠定良好的基础。

1、当前高校实验室管理中的不足

目前，我国许多高校实验室仍然存在管理不规范的情况，这就容易导致许多安全隐患问题。一些高校在进行教学活动的过程中，为了进一步方便学生的学习，允许学生在课后进入实验室进行实验和数据整理，由于缺乏教师的有效指导，部分学生在不熟悉实验器材的情况下使用实验器容易造成材料的浪费，也容易带来严重的实验风险。其次，许多学校的实验室管理队伍中的管理人员较少，专业的管理人员构成比例较小。从长远的角度来看，这不利于进一步提高实验室管理水平，也导致许多实验室在出现实验事故时，管理人员不能及时有效采取措施进行处理避免事态扩大。除此之外，一些高校并不重视实验室的管理，导致许多实验室在管理方面仍然存在界线模糊的情况，使得实验室中的各项设备不及时有效的保养和维护，加上学生的一些错误操作，导致实验室设备被损坏的风险进一步增加。

2、基于物联网技术的实验室智能管控一体化建设的优势

通过物联网技术的帮助，进一步促进实验室智能管控一体化建设，不仅能够有效降低实验室管理人员的工作量，还能够进一步提高实验室的操作安全性。在智能管控一体化的模式下，实验室能够系统化的管理内部的各类器材数据，也能够实现对工作人员的有效安排，并且可以对实验的各类信息进行有效的分析和存储，因此能够使实验室的管理工作更加高效、有序，也为实验室管理人员留出更多的时间处理其他工作。同时，在智能管控一体化的模式下，实验室能够一直从实验前管控到实验结束之后，真正实现了全过程的有效管理，从而进一步提高了实验室的操作安全性。除此之外，智能管控一体化的实现，还可以为教师和学生创造更加优质的实验环境，为学生和教师提供创新实验、自主实验等模块有效地辅助学生和教师进行学习和研究。

3、基于物联网技术的实验室智能管控一体化建设研究

3.1智能实验室智能管控一体化建设应实现的功能

物联网技术是一项新兴的科学技术，正成为一项新兴产业促进各行各业的迅猛发展，实现了管理效率的进一步提高和信息化水平的进步。物联网技术的主要构成包括智能感应设备、应用控制系统和传输网络，在三部分模块的帮助下能够实现人和物之间的各种信息交互和智能化处理[1]。从整体角度来看，物联网技术拥有更加全面感知能力、更加可靠的传递能力和更加智能的治理能力，从而实现了对海量数据的实时分析与加工，完成了数据的高效处理和实时传递，以此达到智能控制物体和管理物体的目标[2]。高校实验室作为培养应用型人才的重要场所，能够通过实验激发学生对学习的兴趣和对科研工作的创新意识，有效地提高学生的学习水平和学习质量，为社会培养更多优质的实验创新型人才。目前，我国各高校已经顺利实现了校园网络的全面覆盖，各高校的实验室也纷纷建立起了以校园网为核心的基础学习平台，这就为物联网在实验室中的有效应用奠定了良好的基础。因此，实验室应该以互联网作为中心，并根据实验室的发展需求增加有效的泛在感知设备，从而让设备、互联网、物联网三者之间能够实现有效的联通，打造三重网络[3]。根据高校实验室的发展需求，在构建以物联网技术为核心的智能管控一体化实验时，要确保实验室满足以下项功能。

首先，实验室应该具备开放实验的功能，即实验室通过智能管控一体化模式，能够有效的扩展自己的开放范围，并在网络信息平台的帮助下进一步公开实验室的相关实验主旨和实验进程，并实现实验数据的透明化[4]。这样一来，教师就可以通过实验室的智能系统，更加准确的把握学生在实验中的具体进展和内容，一定更加有效地指导学生完成操作。在实现实验数据高效共享的过程中，还进一步提高实验的利用效率，促进实验室安全操作标准的提高。

如在图1的智能实验室布局中，教师可以根据不同的学习目标为学生设置不同的应用实训和体验活动，并通过智能化的管理检测学生在实验区域与体验区域的实验进展和问题，以便及时给予帮助和指导。

其次，实验室应该具备创新实验的功能，即学生能够根据学习的需求和自身的学习进度，向学校提出合理的实验室使用需求。当学校通过学生的申请后，学生可以在智能化的实验室中自主完成实验操作，有利于进一步提高学生的学习自主性和实践操作能力，实现学习质量进一步提升。同样，实验室的创新实验功能也可以为教师服务，帮助教师进一步提高教学效率和科研质量。

如图2展示的物联网架构，教师和学生可以通过应用层设置相应的实验目标，随后通过物联网工程信息平台实现信息处理和传递，最终通过感知层实现对实验过程的完善和实验信息的收集。

最后，实验室应该具备系统设置功能，在物联网技术的帮助下可以实现更加高效的器材和数据管理，从而进一步促进实验室设备使用效率的提高，帮助校方更好的完善实验室设备的维护和保养工作，优化实验室的设备配置，以便及时有效的采购所需设备，避免资金和设备的浪费。在智能管控一体化的模式下，管理部门可以通过自动化的信息收集和分析，提高对实验室的管理效率，也能够有效提高实验室的人事管理效率。在物联网技术的加持下，智能管控一体化的实验可以实现多种报警装置的综合管理，以便实验室防盗、防火、防污染和防漏电工作的顺利开展，为教师和学生进行实验操作提供更加安全的环境，保证师生的人身安全[5]。

图3物联网智能实验室整体架构如图3所示，是物联网智能实验室的整体结构图，由学生电脑与数据链接，并实现与物联网工程信息平台的数据联系，最终通过远端射频单元中的无线网络与各类实验内容相链接，从而有效地对各种实验环境和实验内容进行精准控制，提高实验的可操作性和安全性。

3.2基于物联网技术的实验室智能管控一体化建设的三层结构

从整体的角度来看，通过物联网技术实现实验室智能管控一体化建设，需要完成三个层面的系统构建。首先，要建立起完善的感知层。感知层主要由大量的感知设备构成，存在于实验室的不同设备和各个角落中，常见的感知设备包括传感器设备、智能M2M终端、RFID设备等[6]。感知设备通过采集实验室中的各项信息实现与网络层的有效连接，将大量的数据信息上传至网络层。其中，感知层最为核心的技术之一便是RFID技术，目前在互物联网技术中得到了十分广泛的应用。感知设备通过RFID读写芯片技术与其他感觉设备进行有效的配合，从而进一步实现对实验室的网络覆盖，拓展了实验室的数据感知范围。目前，由于RFID技术具有明显的优势，因此在设备感知领域发挥出十分重要的作用，例如低频RFID设备在身份证查验和考勤等方面有明显的优势，而高频RFID设备则借助于多标签识别技术在检查实验室设备工作中发挥着重要的作用。在进行设计的过程中，实验室人员可以通过RFID设备实现有线连接或无线连接，从而将采集到的重要数据进行上传。

在构建感知层的过程中，应依据实验室的不同监测需求来选择合适的传感器设备，例如监测实验室的湿度、温度、压力、电流等各项数据，以便有效的监控实验室的风险隐患，构建起一套更加立体化的实验室感知系统，让实验室能够从设计上进一步加强系统化和安全性。在感知层中，也可以通过更加成熟的SIM模块构建感知端，以此提高感知效率。SIM模块不仅能够有效地存储实验室信息数据，还能够实现信息的串行通信，能够为实验室的智能管控一体化建设提供更有效的信息传递功能。同时，各类媒体终端例如摄像头、录音机、话筒、投影仪等，能够进一步帮助感设备发挥出价值，从而使智能管控一体化的实验室建设更加立体、更加具有可视性。

网络层是物联网技术应用中的中间环节，能够实现数据的接入和传输，并完成数据的运营工作。在物联网技术的加持下，网络层不但可以建立在骨干网络上以便实现对多个融合网络的有效管理，还可以建立在专用网络上实现专项管理。想要真正发挥出网络层的作用，必须充分利用物联网技术中的网关技术、组网技术、物联网节点技术和频管技术。

应用层是物联网技术的最后一个层面构建，也是感知层和网络层提供服务的最终对象。应用层面向实验室的管理人员各类更加高效便捷的管理服务，帮助管理人员构建起一个智能化的综合服务平台，以此来实现综合管理实验室的人员、设备、实验和安全。应用层通过有效的整合管理，实现了网络层信息的高效传输，同时感知存在进行各类信息的收集和提供时，进一步加强了彼此之间的联系性，提高了感知层信息的集成效果，这就使得实验室的智能管控一体化建设效果实现优化，使实验室体系更加高效、更加集成化。学生可以在应用层平台上对实验预约和信息的查阅，也能够实现各类学习课程的下载；教师可以通过应用层平台顺利完成实验室的申请工作，也能够有效地对学生实验进行监管，提高了实验室环境的维护效率，减轻了考务管理工作的负担。同时，实验室的管理人员还可以在应用层平台的帮助下，准确的掌握实验室的各类资源信息，而且实验设备的工作状态和设备端口使用情况，了解实验室是否处于被使用的状态，同时还能够借助智能化的管理设备自动生成设备巡检报告，进一步优化了管理人员的工作内容。

值得注意的是，由于实验室的安全管理涉及到电气、温度和湿度、门窗以及光照等因素，因此在进行人工检查时往往可能存在检查不到位或难以检查的情况，此时通过物联网的应用管理平台，能够更加有效地控制不同种类的传感设备，从而全面、全天候、长期地对实验室运行状态进行监测，有效提高了实验室运转的安全性，为师生的教学和科研工作提供了更加良好和安全的环境。

3.3基于物联网技术的实验室智能管控一体化的应用实践

通过基于物联网技术的智能管控一体化的实验室建设，不仅能够帮助学校进一步教学实验的效率，也能够促进学校科研创新工作的正常开展，同时为学生提供更多竞赛培训的资源，帮助学生顺利完成毕业设计，有效提高了学校的办学质量和教学水平。在传统的教学模式下，实验室仅仅作为教师和学生学习的辅助工具，因此在教学过程中仅仅利用了实验室的部分资源和空间，从本质上来讲，实验室和教学是相互分离的状态。而通过实验室智能管控一体化的建设，学校和教师可以利用物联网技术优化教学工作的前期安排，提高实验室资源在教学过程中的使用效率，晚上实验全过程的监测，并为教学后期的课程考核提供了更多的方案。教师在智能管控一体化的实验室中能够有效提高教学的效率，学生也能够真正体验更加立体高效的学习过程。除此之外，传统的实验室中，学生在进行毕业设计和现在活动时，往往面临着较为局限的实验条件和实验环境，而通过实验室智能管控一体化的建设，学生可以借助互联网技术获得更加丰富的实验资源，更加自主、开放、系统地完成相关实验过程，让实验室的各类实验资源能够被合理的运用起来，避免大量的实验资源浪费或闲置情况。

基于物联网技术的实验室智能管控一体化建设还为师生顺利进行科研实验提供了更加优质的研究平台。在高校研究生的培养过程中，能够通过科研平台和实验室的智能化管理，帮助教师和学生逐步验证相关科研成果，让教师和学生的研究理论能够在实践中得到证实，并对实践发挥更加积极的指导作用，从而转化为具有可行性的实践成果。实验室的智能管控一体化建设能够向教师和学生提供更加丰富的实验资源、技术资源、理论资源等，同时教师和学生在优越的实验室环境中所取得的科研成果也能够有效的优化实验条件，从而形成良性循环，不断实现高校科研成果的创新和实验室管理质量的提升。除此之外，通过物联网技术构建实验室智能管控一体化模式，高校各类教学工作能够进行有效的连接，从而形成共同促进、共同进步的发展整体，帮助高校学生顺利完成创新思路的验证工作，也进一步增加了本科生与研究生之间的合作机会，有利于学生之间彼此进行讨论和探索，从而创造出更多的团队科研成果。

4、结语

综上所述，互联网技术仍然在不断的发展过程中，这同样也为实验室智能管控一体化建设留下了更多的优化空间。因此学校应该准确把握实验室建设中存在的问题，不断促进相关设备和软件的优化工作，更加全面的监管实验室的使用和安全保障，提高管理人员的管理水平，那实验室能够真正为师生的学习和研究工作提供服务。

作者：广西财经学院(高梓源)

文章来源：实验室学苑