时间：2022-06-14 03:35:47
导语：在物联网实验室的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-5741-02
Laboratory Management Based on the Internet of Things
WANG Jin
(Guizhoou Industry Polytechnic College, Guiyang 550008, China)
Abstract: This article describes the traditional management of university laboratories drawbacks exist, through the use of advanced RFID technology to improve things networking laboratory management, to the basic data on the experimental materials, experimental procedure and experimental equipment to conduct full life cycle system management. Ultimately reduce labor intensity, improve operational efficiency.
Key words: the internet of things; laboratory; management
实验室建设是高校教育事业赖以生存和发展的前提,实验室物品是高校实验室建设的重要内容,因此,实验室物品管理的好坏将关系到高校教育质量能否得到保证,加强实验室管理是教学和科研顺利开展和完成的重要保障。[1]
一般来说,实验室人多,物品多且杂,长期以来,实验室物品都是依靠手工建立台帐、标签等来进行管理,效率低下,容易出错,更新困难,而且不便于使用计算机软件管理,更不便于使用互联网来进行动态的管理。借助先进技术进行实验室物品管理是解决这一问题的最好途径。物联网技术就是这样一种解决问题的先进技术。
1 物联网技术概念
物联网概念的定义有很多种,根据其具体含义概括如下:“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上,将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间,进行信息交换和通信的一种网络概念,即“物物相连的互联网Internet ofThings”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通讯。其定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接。进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。其由全球产品电子代码(EPC)、射频识别系统以及信息网络系统三大部分组成。[2]
射频识别(RFlD),是一种利用射频非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,无须人工干预,可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。通常RFlD系统包括三个部分:电子标签、阅读器、数据处理平台、系统软件等。
RFlD系统的工作原理是:RFlD标签进入读写器发出的电磁射频信号后,通过自身藕合电路感应获得能量读取存储在芯片中的产品数据信息(被动式标签),或者通过自身储电设备中的能量主动发送某一频率的信息(主动式标签),阅读器读取标签所发送的产品信息并解码后,送至计算机进行数据处理。
2 基于RFID技术的实验室管理
2.1 实验物品基本信息管理
传统上,我们获知实验设备或者耗材相关信息的方式都是通过产品说明书得到。这种纸质的说明书容易丢失、污损。而且限于篇幅,此类说明书大多较为简略不利于实验操作。如使用RFlD系统系统对实验设备进行管理,可用电子标签将实验物品的基本属性和帮助化信息等内容存储起来,通过阅读器即可方便地获取实验物品的基本信息并可通过网络进行管理。这些基本信息包括型号、规格、单价、出厂日期、设备号、使用单位、使用地点、维修纪录、生产厂家等多种信息。传统的纸质标签就无法将全部信息表示,且当部分内容变化时(如使用地点),无法更改标签信息,只能重新制作标签。不但费工费力,还会造成标签内容和数据库记录的不一致,导致管理混乱。统一使用电子标签后,每个仪器将带有一个具有存储芯片的模块,上述所有的仪器信息将全部存储在模块中。当仪器的内容发生变化时,用手持读/写卡器将很容易地修改芯片的内容,完成电子标签内容的更新,同时新的信息可自动通过手持机发送到仪器管理服务器进行数据更新。还可以使用手持式RFlD阅读器对实验室中低质耗材进行快速而准确的盘点操作,大大减少传统盘点中出现的遗漏等差错,减少盘点所花费的时间,提高盘点的质量。
2.2 实验过程管理
使用RFlD系统可以对实验设备进行实时的跟踪管理,如许多实验设备常用于演示教学,会被借出到不同的教室使用。如不能动态地掌握这些设备的流向,指定合理的分配方案,会导致不必要的冲突。传统手工方式的管理就会因为不能及时掌握设备流向而出现此类问题。现在只需在每个实验室出入的门上要安装门禁模块,这个模块包括了读头和联网接头,模块重要的功能是自动扫描进出门的实验物品,并将其时间,进出房间号等信息直接发给管理计算机。这样,当带有电子标签的实验设备进出实验室时,就会被门禁模块扫描到,并将该信息通过网络传输到管理计算机。就可实时反映在网络上。运用此技术还可以为实验设备预定若干安放位置,并可将当前位置与预定位置相比较,并设置报警,可防止私自挪用或意外情况发生,达到全方位、实时有效监管。RFID电子标签存储容量大,目前典型的数据容量可达兆字节,且可以重复读写,这就为随机存储实验设备的技术档案提供了可能。这样,通过手持式RFlD阅读器就能在实验时读取实验步骤、操作要点、使用帮助等,帮助实验者正确地完成实验。与相关技术结合,可实现对实验设备使用的动态控制,当使用不当时能自动警告并中断实验过程,避免不必要的损失。实验者可以远程控制异地纳入物联网的实验器材:实验过程数据可以被实时采集并以适当的方式提供给实验者,实现实验教学的数字化、网络化与智能化。
2.3 实验设备信息生命周期管理
正常维护巡检对于保证实验设备的完好是至关重要的,传统的维护巡检往往缺乏计划性,较为盲目,一般只是在实验结束后进行,而设备规定的维护时间间隔也要靠设备维护人员自己掌握,往往不能够做到较为严格。通过应用RFID系统可以使设备巡检、维护变得简单易行,这样可以对实验设备巡检维护的次数,同时由于每台实验设备上的电子标签都存储有设备的大量信息以及维护维修的情况,这样可以在现场就可以明确该设备的使用情况,大大缩短维护巡检的时间,提高维护巡检的工作效率。设备维护巡检后的信息在现场可以录入手持机,同时存储于设备上的电子标签,这样不仅节省了人力物力,也同时提高了实验设备使用效率。并使学校用于设备维护的成本降低。应用射频跟踪自动识别管理系统,由于每台设备上都附有射频芯片,可以储存大量的设备信息,同时还有每次维护、维修、巡检的相应记录。这样可以预防由于不确定原因造成原设备建档档案损坏和遗失造成的设备信息资料的丢失的损失。而且每次巡检和维护必须做到对每一台实验设备的情况进行了解维护,并作相应的信息存储操作,这样可以避免对设备巡检和维护工作的疏漏。由于每次巡检和维护的结果都记录存储于芯片而且这些信息是不能够随意更改,这就避免如果出现和实验设备相关的责任事故,不能明确人为责任还是设备责任的问题,使实验设备日常维护工作变得有据可查。[3]
3 结束语
教育事业的发展,将使得实验室的数量和规模不断扩大,实验物品的种类和数量不断增加,将会加大实验物品管理上的难度。借助物联网技术,通过RFID技术和计算机网络技术的完美结合,将可以使得以前琐碎、复杂的手工管理转变成为简单、轻松的自动化管理模式,极大的减轻了劳动强度,提升了工作效率。
参考文献:
[1] 周新力.高校扩招后加强实验室物资管理的措施[J].邵阳学院学报(自然科学),2002(1).
关键词： 物联网；实验室；计算机
高校计算机实验室承担着计算机实验教学的重任，是考核计算机教学水平、培养学生动手操作能力和创造性思维的重要场所。因此，计算机实验室的建设管理是高校赖以生存和发展的重要筹码。
由于高校计算机实验室承担着繁重的教学任务，用机主体不固定，用机习惯不统一，用机操作不规范。加之传统的实验室管理采用人工管理模式，使得计算机故障频发，难以保证计算机实验教学的顺利进行。而物联网技术的提出，使得计算机实验室管理问题迎刃而解。
1 物联网含义
1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首次提出物联网（The Internet of things）这个概念并提出“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。
物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。“物联网就是物物相连的互联网”。可见物联网是在互联网的基础上延伸和发展起来的网络，物联网的核心和基础仍然是互联网，物联网将其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
2 传统计算机实验室管理
教学管理方面，教师上课时需要利用教学软件对学生进行电子点名，然后需手动统计缺席学生。在进行实验教学时，一个实验室六十名学生配备一名实验教师，学生如对所学知识存在疑问或者不会的情况下，需要教师对学生进行指导答疑，课堂时间有限，不能满足学生的解答需要。
计算机的基本信息管理方面，利用纸质的记录本记录每批软、硬件的购入时间和损坏时间，每台计算机的维修时间，以及每次课每台计算机的用机记录，由于部分学生不填写导致记录不完整，实验室管理人员无法根据用机记录情况排查计算机运行情况，给实验室管理员的工作带来了极大的不便。而且纸质的资料容易丢失，不易保管。
计算机的定期检测方面，实验室管理员需要维护众多的计算机，然而计算机的频繁使用，必然导致不同类型的故障，例如，计算机硬件损坏，计算机无法正常启动，计算机遭到病毒破坏等。实验室管理员维修计算机只能利用实验室的空闲时间，打开每一台计算机进行检测，查找故障原因、修理、记录维修情况等，既浪费时间，又影响教学。
实验室环境管理方面，由于实验室的使用频率较高，实验室的湿度、温度控制和除尘工作得不到及时的处理，导致实验室的硬件设备故障频发，如电源、主板损坏，主机蓝屏等。不能保障教学的顺利进行。
实验室的安全方面，实验室每天都会有许多学生上机，不可避免的涉及到实验室物品和学生物品的安全管理问题，主要预防电源的不规范使用导致的火灾隐患和实验室物品的丢失现象。
3 基于物联网的计算机实验室管理
物联网对实验室的管理可以实现人与人，物与物，人与物的相互通信，有效的整合系统内的人、事、物实现信息采集和信息控制。实时的识别、定位和跟踪系统内的行为。利用物联网技术管理计算机实验室代替传统的人工管理计算机实验室提高了计算机实验室的管理的自动化和智能化程度。
3.1 教学管理
确保日常教学的顺利进行是实验室管理的重中之重，利用物联网技术对计算机实验室进行管理使实验室的管理更加智能化，网络化。
3.1.1 学生签到。在每个实验室的门口安装门禁（RFID读取器），同时每名学生带有RFID标签，没有RFID标签的学生无法进入实验室，教师可以通过系统获取每名学生的出勤情况和学习内容等监控信息。
3.1.2 教学质量监控。利用物联网技术，通过各种数据采集终端获取数据，监控教师上课的全部信息，包括教学内容、教学方法、教姿、教态等，并根据获取的数据系统进行全方位分析和检测，评定其教学质量及优缺点，以求改进不足。有效的教学质量监控是教学过程的重要组成部分，亦是所有有效教学与成功教学的基础。
3.1.3 学习过程跟踪。学生课堂学习的过程可以被物联网全程记录。如果学生在上机操作过程中，学生对某个知识点掌握的不好或者遗忘了，可以通过记录的学习过程再次学习，弥补学习中的漏洞，并且可以复习已学知识，达到查缺补漏的目的。强化学习中的重难点。
3.2 计算机的维护
利用物联网技术对计算机实验室的设备进行维护实现了计算机管理方式的跨越式发展。
3.2.1 计算机的基本信息。在每一台计算机上安装一个RFID标签，记录计算机购买日期、使用说明、硬件配置、维修记录等基本信息。这样在对计算机更换硬件，变更软件的时候，可以通过手持式读写设备将变更信息录入计算机的RFID标签中，同时更新后的标签信息通过手持式设备自动发送到设备管理服务器更新数据，永久保存起来。还可以利用手持式读写设备盘查实验室的各种物品，防止漏查、错查等，大大减少了用于统计各种信息的时间。
【关键词】物联网 检测技术 无线传感器
物联网作为一个新兴产业，它是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。物联网作为智慧网络，是各类传感器和现有互联网相互衔接的一种新技术[1]。完美融合各种高新技术，实现物、人、计算机互通互联、信息同步、信息共享的功能[2]。为了更好的培养学生系统的概念和工程实践能力，结合检测技术实验室建设实际情况，国家级电工电子实验示范中心在学校和学院的支持下，依托示范中心的师资力量，面向各种无线传感器网络应用环境，组建了基于物联网的检测技术实验室。目的在于持续培养一批基于物联网信号检测与控制方面的软硬件开发人才，为学院的教学科研和学生的综合素质培养提供了良好的指导模式。
1 物联网概念
物联网依托日益发达的科学技术，构建一种新兴网络协作平台，它为为设备供应链提供的解决方案前所未有的、近乎完美，也就是说，企业通过物联网能够及时准确知道每个设备在设备供应链上任何时间的位置信息，并且物联网能为为管理决策提供更加准确有效的支持[3]。物联网又称为EPC（ 电子产品代码 ）系统 ，是一个非常先进的、综合性的、复杂的系统，该系统的其最终目标是为每个设备建立全球的、开放的标识标准，主要由以下6个方面组成：EPC编码标准、EPC标签、识读器、应用层事件、对象名解析服务、EPC信息服务。物联网的发展不仅能够对设备进行实时跟踪，而且能够优化整个供应链，因此，物联网实质就是实现物-物通信、物-物联动，使连接到物联网上的所有物品、设备能够自由地互相通信、共享信息、互通状态。
2 检测技术实验室建设现状
检测技术实验室主要是通过各种传感器的应用来培养学生信号检测与控制方面的能力。传感器是机器感知物质世界的”感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科学技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器（dumb sensor）智能传感器（smart sensor）嵌入式Web传感器（embedded web sensor）的内涵不断丰富的发展过程[5]。目前，面向物联网的传感器网络技术研究包括：
（1）先进测试技术及网络化测控综合传感器技术 、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、传送；
（2）智能化传感器网络节点研究；
（3）传感器网络组织结构及底层协议研究；
（4）对传感器网络自身的检测与控制；
（5）传感器网络的安全；
基于物联网的检测技术实验室建设主要偏重于上述的1、2、4点进行研究。在研究星形组网的基础上，采用CC2530芯片智能处理传感器转换来的信号，利用无线传感网络完成对信号的检测与控制。
3 检测技术实验室建设内容
中心坚持“三个面向” 的人才培养定位，育人为本，理论教学与实验教学并重，促进学生知识、能力、素质协调发展，为石油行业和区域经济建设培养高素质实用型工程技术人才。在检测技术实验室建设过程中一直秉承这一宗旨，重点培养学生的工程实践能力。
3.1检测技术实验室硬件建设
实验室建设中，物联网系统采用自主研发，外包加工的原则。自主研发分为硬件和软件二部分。硬件部分包括了强大的嵌入式网关、ZigBee模块、4类通讯接口模块、11类工控参数的传感器模块，完全满足检测技术实验室的需求。软件部分包括基于Z-STACK的星型网络协调器程序、星型网络子节点程序（包括温湿度，光敏，超声波，温控箱，红外，酒精节点）、上位机程序。
3.2检测技术实验室软件建设
检测技术实验室软件建设主要是探究其管理机制与运行模式。基于物联网的检测技术实验室是结合行业生产实际，形成具有石油电气信息应用特色的检测、处理、传输、控制和执行5个实验模块，推行“导师引导，探究学习” 的新模式，吸引更多的学生参加教师课题研究，为了更好的推行这一模式，检测技术实验室采用开放实验室的运行管理体系 。结合检测技术实验室的情况 ， 经过几年的探索和实践 ， 建立起“导师引导、探究学习、保证措施到位”的管理模式 ，
采用导师引导，学生探究的新模式。在管理上，采用团队管理值班模式，即每个老师带领的团队轮流管理，一方面有利于管理的人性化，另一方面可以培养学生团队合作精神。
物联网技术是个新兴的、不断发展中的、强调实践应用的学科，它的研究发展和应用推广将会对人类生活的各个领域产生巨大影响。基于物联网的检测技术实验室建设中强调物联网应用为核心，通过自主研发无线传感网络与检测技术紧密结合；推行导师引导，学生探究新模式，培养学生物联网应用能力；采取实验室开放与学生自主管理，让学生参与实验室建设与维护，提高学生主动性和积极性。基于物联网的检测技术实验室建设中实现了无线传感器网络的星型连接，在无线传感器网络的其它拓扑结构应用还有待提高。在未来检测技术实验室建设中，进一步加强实验室管理的同时要努力完善拓扑结构和进一步扩大物联网推广应用。
参考文献：
[1]宋跃.单片机精品课程的实践教学改革[J]. 实验室研究与探索，2009，28（3）：83-85.
[2]张学波.传媒类国家级实验教学示范中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2009，28（11）：89-91.
[3]崔莉，鞠海玲，苗勇等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005，42（1）：163-174.
关键词：物联网；低值易耗品；实验室管理
高校实验室低值易耗品具有数量大，品种多，型号杂的特点。在高校实验室管理中存在着对低值易耗品的管理重视不够，添置领用不规范等问题。随着物联网技术的发展，其智能化管理引起了多个行业的重视。对于繁琐而复杂的低值易耗品管理来说，发展和使用物联网技术是一个值得深入探究的话题。
1 物联网技术的发展
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。是以Internet为核心和基础上的延伸和扩展的网络；物联网用户端延伸和扩展到了物品与物品之间进行信息交换和通信。通过射频识别（RFID）、红外感应器、GPS等信息传感设备，按一定的协议，把物品与Internet连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器构成。相当于人的眼睛和耳朵，它是物联网识别物体、采集信息的来源。网络层由互联网、有线和无线通信网、网络管理系统等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
世界各国都在深入探究物联网，我国也在高度关注、重视物联网的研究。此外，物联网普及之后，传感器与电子标签及配套的接口数量将大幅提高，物联网必将成为推进经济发展的又一利器。物联网将成为全球信息通信行业的万亿元级新兴产业。预计，到2020年之前，全球接入物联网的终端将达到500亿个。
2 物联网与高校实验室低值易耗品管理
物联网在教育领域的应用仍在探索阶段，作为现代化教育创新和实践教学的重要基地，实验室管理信息化一直是高校建设中的一项重要工作。目前我国多数高校实验室设备使用率低、数据查询困难、管理模式落后。低值易耗品具有种类多，数量大的特点，但管理方式多采用手工贴标、归类、记录。这种管理方式效率低，易出错，而且不便于更新数据，更不便于网络动态管理。随着教学实验水平不断提高，对实验室低值易耗品管理又不断提出新的要求。
借助于物联网射频识别、网络互连、传感器等技术，实现自动化管理，将会大大提高工作效率。对于一些特殊的专用实验室低值易耗品，可以对保存室的温度、湿度等环境进行时时的监测，保证物品的正常使用。
3 基于物联网的实验室低值易耗品管理系统的构建
3.1 基于物联网的高校实验室低值易耗品管理智能系统
高校实验室低值易耗品管理系统是一个基于物联网的智能管理系统，是利用智能感知技术获取信息，通过分析软件对这些信息进行判别、分类并使之有效利用。这一智能系统的基础是智能识别子系统、入库子系统、查询子系统、出库子系统。
智能识别子系统能够把具有不同身份标识的产品进行扫描，通过网络层把这些电子标识传送到数据系统中进行分析，根据不同的电子标识对不同低值易耗品进行分类、统计、提出保存环境建议。对于成功入库的低值易耗品，数据传送到查询子系统，供管理员和实验教师进行低值易耗品的各种查询和领用。在这个智能系统中，低值易耗品的管理工作是由各个互相关联的子系统自动完成的，管理员作为辅助，或选择是否接受系统的建议。这样通过机器之间的信息交换，管理工作按照一定的程序执行下去。这就是基于物联网实现高校实验室低值易耗品的管理。
3.2 高校实验室管理物联网构建的难点和关键点
基于物联网技术的智能实验室低值易耗品管理系统，难点在于经费和技术。实验室管理不受重视，资金不足，严重制约了智能化的发展。另外实现智能化管理，还需要更成熟的技术支持。RFID和传感器技术研究已经比较成熟，但是核心领域尚未产业化。要完全实现智能化管理，需要依托成熟的GPS技术和互联网技术，着眼于新的物联网技术，使其在高校实验室管理上大放异彩。
3.3 高校实验室低值易耗品管理物联网构建的目标
随着国家政策导向和技术的发展，基于物联网的高校实验室低值易耗品管理也将取得巨大的进展。智能管理系统的目标是实现实验室低值易耗品标识化，管理流程自动化，管理系统一体化。将所有的低值易耗品都通过RFID技术、传感器技术赋予统一的电子标识。将采集的这些电子信息通过网络传输到终端的管理软件中，科学的分类保存，提供更便捷、更准确的查询领用服务。有了资金和技术的支持，把握好物联网建设的关键点，才能最终构建起高校实验室低值易耗品的智能管理系统，乘着物联网建设之热潮，发展实验室管理信息化、自动化。智能管理指日可待。
[参考文献]
关键词：实验教学；RFID；物联网技术
DOIDOI：10.11907/rjdk.162593
中图分类号：G434
文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0182-03
0 引言
近几年来，物联网技术研究的热点问题包括射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备。在物联网技术中，各设备按约定的协议都可以与互联网相连接，并且所有联网的物品可以进行信息交换，也可以进行通信，这样就可以实现对物品的智能化识别、跟踪、定位、监控和管理。所有技术的研发都是为了更好地服务于人类社会，作为一项高新技术，只有将其应用到合适的场景才能最大化其价值。将物联网技术应用于教育教学领域，即是体现其价值的一个方面[1-2]。
实验教学是现代高等教育的重点，其教学模式也在不断发展和改进。为了满足学生在学习时间和学习内容上的选择自由性[3]，提出了开放式实验教学模式。然而在开放式教学模式下，教学对象、内容、时间等因素的不确定性以及教学计划的个性化使实验教学管理的难度骤增，同时导致大量的实验教学管理信息及处理任务量[4]产生。为了保证开放式教学模式的顺利推进，可以利用物联网技术对现有的实验教学管理体系进行改革，为师生提供更为便利的开放式实验教学环境，这样不仅能够锻炼学生的实际动手能力，培养学生的创新精神，更有利于学生专业综合素质和工程实践能力的培养与提高[5]。
1 相关工作
在已有的一些研究中，物联网技术被应用于学校中的一些场景，研究提出了基于物联网的智慧教室[6-7]、基于物联网的图书馆设计[8]、物联网技术在校园安全中的应用[9]、基于物联网的实验室管理[10-12]等概念。
物联网教室和传统教室的功能相似――为学生提供舒适的学习环境，以提高学生的学习效率[6]。由于传感器节点对于环境温湿度的精确感应，使得物联网教室可以高效、精确地为学生提供学习舒适性。通过物联网所提供的大量的传感技术、无线通信技术，以及微处理控制系统，使智能照明系统能够“感知”环境，根据外界情况的变化作出相应的应对策略，还可以避免能源浪费。相比人工控制教学楼照明灯，物联网控制实时性强，而且可以全天候工作[7]。
图书馆管理系统[8]通过RFID标签获得对图书的感知，并通过读者随身携带的智能手机对读者进行感知。同时，师生还可以通过手机对借阅情况进行查询，当所借阅书本快要到期时，可以发送信息进行提醒。通过在学校图书馆应用物联网技术，可以有效提高管理效率，提高自动化程度，降低人力成本，并大大方便师生的借阅活动。
基于物联网的校园安保措施主要有以下几种：在宿舍物品安全系统中添加报警装置，构成宿舍安全系统以防宿舍发生意外事件，从而保护学生的人身财产安全；在每栋公寓入口处安装RFID门禁系统；在教学区域设置门禁系统，并将门禁系统分为安全通道和普通通道两类，携带物品上贴有RFID标签，可实现物品的安全检测[9]。
随着技术的发展，物联网专业也急需大量专业人才，对人才的需求上，要求其具有一定的理论基础及动手能力，这对实验室的要求也有所提高[10]。物联网实验室需要将光载无线通信、WiFi 无线局域网、移动通信、嵌入式设备服务器和射频识别几种前沿技术融为一体，构建基于移动通信的无线信息网络系统[11]。将RFID技术系统应用到实验设备的管理上，不仅使设备的统计效率大大提高，而且能实现实验设备资源的合理统筹[12]。传统的对于物联网实验室特别是实验设备的管理成本高而效率低，这给实验室的使用带来了一定的影响，目前我国大部分学校的实验室管理普遍存在计算机系统的自动化程度低，实验室管理不严、监管不力等问题，因而，实验室管理在学校管理和教学环节具有重要的意义[13]。
在文献[14]中，作者通过对物联网系统构架与关键技术的分析，利用Zigbee短距离无线通信技术、无线传感器网络智能组网技术，结合物联网视频网关、多种传感器采集、控制节点与现有Internet网络、3G网络，构建了物联网系统。传统的实验室存在工作繁琐、效率低下等弊端，如学生不能及时了解实验内容，必须到实验室去预约并由教师登记等。随着技术的发展，针对智能化管理实验室的需求，提出了基于物联网的智慧实验室，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、设备管理等方面展示了优势[15-16]。
2 基于物联网技术的实验教学体系
本文将物联网和互联网结合起来，充分发挥两者优势，提出了一种基于物联网技术的实验教学体系。该体系服务于实验教学和管理工作， 在开放的网络环境下促进教学手段改革和保证教学、管理质量的督导体系建设，既满足了学生个性化需求，也充分合理地利用了实验室资源，实现了教学管理的自动化。该体系的构建包括软件系统建设和硬件系统建设两个方面。
2.1 基于物联网技术的实验教学软件系统
基于物联网技术的实验教学软件系统建设主要以校园网为依托，以实验教学管理区块为核心，实验课堂教学区块为主体，实验室课外辅助区块和实验室网络管理区块为辅助，构建立体化的开放式教学环境。该系统同时面向教师和学生这两类有着不同需求的用户对象，将在功能实现的基础上提供一个友好的操作界面，采用实名注册登录制。该软件系统的具体结构如图1示，下面将对其包含的各个区块进行详细的功能介绍：
（1）实验教学管理区块。该区块不仅可以方便学生进行网上选课，参与网上评教，也可以方便教师在线实验考试成绩。学生在预约实验课时需要对实验设备进行预约，做到每位学生对应一台实验设备，学生完成实验后，设备会对学生的实验结果进行记录，也可以避免实验设备的损坏。另外，该区块还对教师和学生的个人信息以及实验教学数据进行存储和维护。
（2）实验课堂教学区块。该区块包括5个主要功能：①为学生提供在线实验预习服务，也即学生可以通过该区块在网上提前熟悉实验内容和实验仪器的操作方法；②该区块将实时监控学生的课堂实验操作，确保学生能够安全和规范地使用实验仪器；③该区块可以将学生课程的实际测量数据根据教学时间、地点和内容存入其个人信息库，以供学生课后登录个人系统进行查看和下载；④该区块在线为学生提供虚拟仪器和仿真平台服务，并且可以将学生的课堂仿真结果存入其个人信息库；⑤学生可以通过该区块提交电子实验报告。
（3）实验课外辅助区块。为了促进学生的课后学习，为学生答疑解惑，该区块可以方便教师上传课件和教学演示视频、提供师生交流论坛，以及在线答疑辅导网上应用空间。此外，可以进一步利用物联网技术实现课堂互动的智能化。
（4）实验室管理区块。一方面为了实验教学的正常开展，该区块可以为师生提供在线预约实验室和实验仪器的服务，并在线管理实验仪器的使用记录；另一方面，为了保障实验室的安全运行，该区块对实验环境进行监控，实时显示实验室的环境数据（例如温湿度、有害气体指标等），并带有安全报警功能。另外，该区块可以在线维护实验仪器的故障信息，以方便实验仪器的维修和整理。物联网技术的应用使得实验室的管理更加科学规范。
2.2 基于物联网技术的实验教学硬件系统
硬件建设需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。①利用RFID，实现教室门锁、控制台锁的定时关闭和开启，为防止锁人现象出现，需在锁关闭前进行声音提示；②利用传感器节点，采集教室内温度、湿度等指标，由中控计算机进行数据搜集处理，并根据预设标准触发报警装置；③利用虚拟终端技术，实现教室中控台的网络远程控制，所有控制台操作均可通过虚拟控制台实现；④利用Telnet技术，可实现对联网试验仪器的远程管理，解决计算机软件故障；⑤利用监控摄像头，实现远程视频图像同步传输，并利用室内音箱，实现远程音频同步传输。当遇到设备死机、线路故障、物理连接问题等导致远程控制失效时，可通过音频远程指导任课教师进行操作。
基于物联网技术的实验教学硬件系统将使用互联网技术中的BSDA （Browser/Sever/Database/Application）结构，即客户端/服务器/数据库/应用程序结构，网络通信方面采用C/S（客户端/服务器）和B/S（浏览器/服务器）模式相结合的方式，包括服务器、联网的实验仪器以及网络监控系统，其系统结构如图2所示。
（1）应用服务器。服务器主要提供3类服务：①支持实验教学管理数据交互与存储，主要包括学生和教师的注册登录信息管理以及与实验教学管理相关的教师教学计划录入、学生选课信息、学生评教信息、实验报告以及实验考试数据的管理；②提供实验教学资源数据库服务，存储教学课件、演示视频，预习内容、虚拟平台以及实验仪器介绍等教学资源；③与实验教学服务相关的应用服务，例如提供师生交流论坛、QQ以及微信平台相关的应用服务，以供师生随时随地进行实验教学交流。
（2）联网的实验仪器。为了构建基于物联网的实验教学硬件系统，所有实验仪器也将进行相应的更新换代，均带有网络通信功能，其更新主要从3个方面进行：①测量仪器带有联网功能，例如带有无线通信功能的示波器和万用表能够实时地将测量数据上传网络，以供学生课后进行在线分析；②仿真和虚拟仪器平网，以供学生能够提前进行实验预习；③为了保证学生的用电安全，所有实验仪器的电源都可以进行网络在线控制。
（3）网络监控系统。为了保证学生安全和实验室的正常运行，构建实验室监控系统。该系统将由传感器、摄像头、无线插座等监控终端设备组成，实现如下功能：①实现对实验室环境的监控，杜绝实验室火灾、有害物质泄漏、仪器丢失等状况发生；②对学生实验操作进行实时监控，确保学生的操作规范和用电安全；③对实验室仪器的使用状态进行在线监控，以配合实验室和实验仪器的外借预约服务以及实验设备的故障维护工作。
3 教学评价
传统的实验教学模式是：授课教师先讲，讲完之后学生做实验，实验内容和实验模式是固定的，学生在课堂上学习的知识是有限的，时间被限制在课堂上的短暂时间内，对知识点的掌握和利用很有限[17]。基于物联网技术的实验教学模式从传统的以教为主发展转变为以学生动手为主，更加注重学生在实验中学到了什么，并注重培养学生的创新能力。
现代教育理论认为[18]，在教学中要以学生为主体，在教师的引导下，提高学生的独立思考能力，多开设计性课程，让学生主动去探索新知识。采用基于物联网技术的实验教学体系，不仅可以使学生扎实地掌握基础知识，锻炼动手能力，开阔视野，而且在减轻教师管理工作的前提下提高了实验室利用率。
基于物联网技术的实验教学软件系统非常适合学生的学习，学生可以在网上在线选择实验课程，查看考试成绩，并对教师进行评教。学习过程中，可以在线预习，使用虚拟仪器存储实验数据，并在线提交报告。系统对于课外辅助也有很好的帮助，比如课件阅读、经验交流、在线答疑。系统的实验室管理模块能够实现管理员对实验室的科学规范管理。基于物联网技术的实验教学硬件系统非常高效，实验仪器都支持联网，便于在线操作，极大提高了实验仪器的利用率。网络监控系统不仅可以保证学生实验操作的安全性，而且可以避免实验器材丢失。
总体而言，基于物联网的实验教学系统根据现有的物联网技术，改善了传统的实验室管理方法，极大地方便了使用者，又体现了物联网技术所带来的优势，是典型的物联网技术的应用范例，对于实验教学的改革提供了指导方向，具有重要意义，值得推广。
4 结语
本文将物联网技术和互联网技术相结合提出了一种新型的实验教学体系。该体系由软件系统和硬件系统组成，以学生为主体，通过教师的引导，激发学生探索新知识的热情，在提高实验器材管理效率的同时，还保证了学生的人身安全及仪器设备使用安全。同时，通过利用物联网技术，方便了实验室实验仪器的管理与维护，使实验室的管理更加科学规范和高效。
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关键词：物联网；创新模式；创新研究；传感器网络
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）20-0070-03
一、引言
近些年来，一场关于物联网的风暴席卷全球，物联网（Internet of Things， IOT）技术被称为继计算机技术、互联网技术和移动通信技术之后的信息产业技术的又一次技术浪潮，它代表了下一代信息技术发展的重要方向。[1] 我国于2009年制定了“感知中国”的战略性新兴产业规划，将其列为重点研究领域。[2] 如果说在过去的十几年中，计算机和互联网技术深刻的改变了现代教育教学模式，使得单纯的依靠纸质的教育模式发展到现在依靠多媒体教学平台和远程教学平台等新型教学模式。那么物联网技术将使现代教育教学迈向更高的高度，是现代教育教学模式提升的新的发动机，将使得现代教育教学模式产生质的飞跃。
在教育领域，新课改提出“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”的要求。[3] 目前计算机多媒体技术日臻成熟，特别是微处理器技术的发展，使得信息装备从巨型化走向微型化，学生可以通过微型个人终端设备了解知识。作为下一代“计算无处不在”的关键技术，[4] 无线传感器网络技术的发展，为物联网技术在教育改革领域的发展提供了保障。在新的时期，高校必须具有科技敏锐性，需要不断采用新技术、新方法提高教学管理，以更好的服务于学生，所以有必要在教学领域引入物联网技术，提高管理效率和质量。
同时，当代高校大学生更具有自我探索精神和独立思考的能力，他们对新事物嗅觉更灵敏，接受速度更快，对高新技术的出现和应用热情更高。将物联网技术应用于现代创新教育模式中，在提升教学管理水平的同时，也有利于激发学生的好奇心和对新技术的感知能力。物联网技术将有助于全面提升教学水平和教学环境，加快推进教育现代化进程。教育物联网的时代已经来临，基于物联网技术的教学模式创新研究可以有效为当前高校教育教学模式探索拓宽思路。
二、物联网技术特征
物联网技术是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。[5，6] 物联网是一个全球的基础网络，通过数据获取开发和通信能力，将实际物体和虚拟物体联系在一起。该网络包括现存的互联网及其延伸和拓展，并具有具体物体识别、传感器、激光扫描器和通信连接功能等为其提供独立联合服务和应用基础。[7]
物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的，主要有以下几个特点：全面感知，利用RFID、传感器、二维码以及其它各种感知设备，随时随地采集各种动态对象，全面感知世界；可靠的传输，感知的信息通过以太网、无线网、移动网进行实时传送。[8] 无线网络已经全面覆盖，感知信息的自由传送成为现实。智能处理，利用云计算技术及时对海量信息进行处理，实现智能化的控制和管理，真正达到人与物的沟通，如图1所示。
三、传统课堂教学中面临的挑战
1.教学资源有限和教学过程单一
在传统课堂教学中，教学资源比较有限，特别是在早期，一块黑板、一本书、一支粉笔贯穿整个教学过程。在互联网时代，多媒体技术在课堂教学中被普遍使用，将内容投放到黑板上，图文并茂，使得教师更专注于知识的讲解，极大地提高了课堂教学效率，也提高了学生的兴趣。但是目前的教学模式中，单纯依靠教师讲解或使用投影设备的“开会式的学习”枯燥、呆板，学生缺乏主动；教师的“主导”几乎完全代替了学生的“主体”，课堂教学缺乏活力。这种传统教学模式使得学生过分依赖教师与书本，造成主体意识淡薄，缺乏创新精神，阻碍其素质全面发展。单调枯燥的方式对学生已经不再具有吸引力，有限的教学资源和单一的教学过程已经不能满足课堂中学生的需要。
2.繁琐的传统的教学管理需要投入大量的人力物力，费时费力，并且可靠度差
当前学校教学活动中，需要让学生使用大量的教学仪器设备，各个学科都配备了教学实验室，作为学校的固定资产，需要有专人负责设备的管理清点工作。每一个教学实验室，在每一天都会有不同班级参与实验学习。一方面，为了防止资产流失，需要投入大量人力物力进行教学管理，另一方面，还需要专业人员随时监督，防止设备仪器或者原材料对学生造成伤害。不但费时费力，可靠性也差。
3.传统的课外教学过于单一、枯燥，难以调动学生的积极性
课外教学被称之为第二课堂，是在课堂教学以外，以发展学生的个性特长、开发智力、培养能力为中心，有计划地开展各种教育教学实验活动。传统课外教学主要使用互联网进行远程教学，这虽然可以方便学生在任何地方和任何时候都能进行学习，但是学生和教师直接交互较少，主要是学生听、教师教的方式，学生被动的接受，互动性差。
四、基于物联网技术的教学模式
1.利用物联网技术构建智能化教学环境
物联网技术的发展使现实世界中的物体具有感知性和智能性成为可能，可以实现人与机器之间的交互、人与物品之间的交互、人与人之间的社会互。客体可以借助物联网技术与虚拟环境进行无缝连接，人与物可以进行交流。在课堂教学中，学生可以有选择的获取教师内容，教师可以即时捕捉、分析学生在学习过程中的需求信息，并进行相应调整。为实现学生出勤情况的智能统计，可以将RFID芯片集成到学生一卡通中，教室设置自动感测RFID信息系统，即时统计学生人数。教务管理部门也可以通过网络查询学生出勤情况。
对于年龄段较小的学生教育中，可以让幼儿佩戴腕带式标签，学校通过信息系统自动检测学生体温，当体温异常时，系统将发出警报并通知相关人员，及时进行处置，同时还可以在标签中配备定位系统，随时了解学生的位置，避免幼儿走失和被拐卖，即使发生意外，也能被及时找到。物联网技术还可以用来控制教室中的教学设备，教室内安装具有光敏和温控的传感器节点，通过智能调节系统，根据教室光线强弱自动调节教室窗帘的开关，也可以根据温湿度高低调节空调温度或者进行通风切换。
2.利用物联网技术丰富实验教学活动
当前实验过程主要是让学生到指定的实验环境中进行相应实验，但是对于一些需要采用远程教学的活动，如成人教育、远程教育等，学生无法实时参与教学实验。物联网技术使达到与现场教学类似的效果成为可能。通过在实验室和远程终端配置RFID设备，在本地实验室将实验器材加入到物联网环境中，实验过程数据被实时采集，并通过网络传输到达远程终端，实验者在远程通过RFID设备可以实时监测数据的变化。教师在授课过程中可以通过实验仪器上的RFID远程控制教学仪器，通过网络传输方式，将实验过程与结果实时显示在课堂中，学生也可以远程控制实验设备，调整实验参数，观察实验结果，实现实验教学的网络化与智能化。
物联网技术还可用于校园安全管理，当前学校学生人数密度大，社会闲散人员伪装成学生进入学校盗窃事件时有发生。可以在宿舍门口设置RFID系统，自动检测学生配戴的智能标签，在显示屏显示学生图像信息，物管人员很容易区别校内外人员，以保证校园安全。
3.利用物联网技术实现课堂教学效果的实时测评
当前教学评测一般以督导组听课，学期末学生对教师系统评分为主，这种模式对评价教师教学水平，督促教师重视教学质量方面效果明显。但是面临的主要问题是主观性强，督导组听课次数有限，学生评价一般在考试成绩公布后进行，课程已经结束相当长一段时间，学生在评测时随意度大，反应实际情况差，同时也不能反应学生课程活动的情况。教学活动是双方面的，教学评测需要教与学的双方参与，所以教学评测需要反应教师和学生两个方面的效果，而物联网为此提供了技术可能。实时教学测评是基于学生互动反馈系统，可反复使用。为每个学生配备简易传感节点，或者在每个课桌上安装简易传感节点，学生在一堂课结束后，可以及时通过传感器节点信息输入屏将教学信息反馈给教师或者教务处。另一方面，教师可以通过传感节点捕捉学生上课时的听课状态，教师根据学生反馈的信息及时调整上课方式或内容。
4.利用物联网拓展课外教学
课外教学是学校教学的第二课堂，可以有效拓展学生知识空间和激发学生学习兴趣。在一些实践性较强的课程中，比如农学、林学等相关课程，学生通过实地参观学习可以获得直观的体验与真实的感受。当前农业、林业与物联网技术正逐渐密切结合，建立相应的农业物联网和林业物联网基地。通过在学校开展基于物联网技术的应用实践活动，让学生了解学习当前的先进测量技术和传感技术，使得学生密切关注物联网技术在实际应用的发展动向。
五、在现代教学中应用物联网技术的重要意义
1.有利于建立全面和主动的教学管理体系
当前大学校园的学习环境相对比较宽松，学生时间较自由，利用物联网技术可以实现教师和学生的无缝连接。教师可以使用RFID随时了解学生的情况，学生也可以通过RFID随时与教师建立联系。同时，利用物联网技术可以有效完善教学管理的组织、评价和考核系统，从而建立全面的教学质量保障和监控体系。
2.有利于构建智能的教学科研环境
利用物联网技术无所不在的特点和信息完整与可靠传输特性，可实现教学环境的真正交互。物联网技术为实验教学提供了一个共享的、安全的、智能化的实验教学环境。彻底改变现行多媒体教学单一化、实验过程模拟化、实验效果抽象化的弊病。
3.有利于创新教学模式的开展
基于物联网技术的教学模式更具开放性和创新性。当前基于互联网的教学模式是单向输出，而基于物联网技术的教学模式具有互动交互性，更能吸引学生参与和激发学生深层思考。物联网技术将教学模式从多媒体技术支持拓展到全空间全方位的开放模式，有助于培养学生创新能力。
4.有利于创新人才的培养
将物联网的技术方法、产品运用到教与学的过程及资源的设计、开发、利用、管理和评价中，改进创新型人才培养的模式，提高学生的创新精神及能力，让未来学习充满智慧，探讨物联网对创新教育模式的教学研究，扩充对新时期大学生创新模式教育的理论研究。物联网技术与创新教育模式研究互为促进，在思考物联网技术对教学模式创新研究的探索过程中，也会为物联网技术的应用提供新的方向，拓展物联网技术的应用领域，并最终会形成一支服务于创新人才体系的应用体系，这同样具有重要的理论意义。
六、结束语
本文首先介绍了物联网技术的发展和特征，物联网技术的不断发展为现代教育教学模式的创新提供了新的契机。本文主要研究了物联网技术在创新教育模式中的应用，作为一项新技术应用，设计了物联网在教学中的若干应用模式，给出了物联网与课程整合的想法。物联网技术在现代教学模式中的应用具有重大的意义，有利于建立全面和主动的教学管理体系，有利于构建智能的教研环境和有利于重构创新、开放的教学模式。但是，物联网在创新教育中的应用研究才刚刚开始。随着应用的深入，物联网在创新教育培养中的研究将会逐步深入。
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关键词：ZigBee；智能化；照明
中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2016）15-337-01
物联网的城市照明无线监控系统设计技术路线，依赖于电力载波通讯组网， GSM短信控制，ZigBee技术，Z-STACK协议等物联网技术。能有效降低成本，克服载波通信不可换相缺点，保障无线通讯的可靠性。该系统能实现实时采集数据，故障分析，发送短信到管理员手机上。可根据不同类型的灯光控制要求，把城市路灯、景观灯和装饰灯分成多个监控区，设置不同的节能监控方案，实现公共照明的智能化运行。本系统的研究重点是整体解决方案，在提出有效的整体解决方案的基础上，基于校内楼宇照明系统搭建试验原型，验证系统的性能。
一、系统组成
本系统用于采集城市特定区域的光信号，并按指定策略控制相应照明设施动作。系统由监控中心和数据采集点组成，通过三层交媾智慧系统实现。其硬件组成包括灯组、光强采集节点、灯控制节点、ZiggBee-Wifi网关等硬件系统实现，将硬件系统编写相应的程序实现控制，需要网络传输平台作为传输保障，运行数据库服务器上的采集服务软件，运行PC上的Web软件。系统结构框架如图1所示，将路灯节点设置路由器，各街头设置协调器节点，将协议植入各节点，各个节点信息传送到路由器，路由器通过Zigbee网络再继续上传信号到PC机，再到监控中心，从而实现路灯智能控制。
二、系统功能
（1）节点添加、编辑、删除功能；节点可以随时增加和减少，并不能影响系统的正常运行。
（2）节点的管理通过GIS电子地图，直观显示和查找，某区域可以任意放大和缩小，终端设备可以查询、标识、记录等。
（3）节点的分级管理，管理中心可以对所有设备进行分区域管理。
（4）节点的状态监控功能，管理中心可以查询设备的工作情况，了解设备的运行情况，能远程维护和升级设备。
（5）数据分析功能：能提供有效的专家数据库系统，对设备运行状态进行统计、分析，实时预警和报警。
三、可行性分析
关键技术：
数据采集技术：基于Cortex M3、TI CC2431的数据采集点设备应满足多任务处理需求及低功耗设计，以便实现组网、控制等多种功能、保证有效降低成本。
节点组网技术：采用Mesh组网技术，基于ARM11构建WSN网关系统，利用自主开发的通讯协议实现动态组网，保证高可靠性、高稳定性需求。
数据传输技术：整个系统需提供多种工作模式，如Internet、WiFi、3G或GPRS等，保证各数据采集点设备能实时、有效、可靠接入监控网络，实现数据采集点设备、WSN网关、数据中心的数据快速、准确同步。
数据采集点设备供电技术：为达到节能、降耗的目的，数据采集点最好能保证不增加城市照明的额外功耗，采用太阳能供电+市电供电是保证在节能的同时提高可靠性的有效方式，因此应采用MPPT算法开发高性能、长寿命太阳能电池组件，满足数据采集点供电需求。
数据处理技术：应开发基于GIS及大型数据库的监控中心软件，提供智能分析及人性化交互功能，保证能对整个照明系统进行实时监控。此处的关键技术包括GIS技术、专家数据库系统。
可行性分析：作为物联网的载体之一，本项目涉及了无限传感器网络、移动通信与计算机网络、软件技术等多门学科，需要多领域技术人才才能完成。项目组通过与电子科技大学、重庆四联光电技术有限公司、成都道惟尔科技有限公司的紧密合作，在物联网的多项应用技术上取得了一定成果，已具备开发基于ARM9系统的无线传感器网络网关系统、基于TI公司ZIGBEE技术方案的无线传感器网络节点、无线传感器网络系统接入通讯基干网的通讯协议等技术水平，并推出了一定的实用型产品，在业界具有领先技术水平。
学院已建有嵌入式实训室，具备了网关系统开发条件。新建的智能电子实验室则以面向物联网的实验、实训和科研为目标，在投入使用后，能为本系统提供足够的实验条件保障。该系统全面培养学生物联网系统规划设计、部署调试、运行管理、应用开发等方面的关键技能和职业素养。
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关键词：物联网；射频识别技术；实验设备；智能管理
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)03-0693-02
A Study on the Intelligent Management System of the Experimental Equipment Based on RFID Technology
SHAO Xiao-qiang,WU Jun-qiang
( School of Mathematics, Physics and Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001,China)
Abstract: This article first elaborates the existing problems in the college laboratory equipment management, and then introduces RFID and RFID technology, RFID technology is put forward the construction of the college laboratory equipment management system based on RFID technology and finally analyses the corresponding application effect.
Key words: RFID radio frequency identification technology; experimental equipment; intelligent management
人才培养、科学研究、服务经济社会发展、文化传承创新是高校的四大职能。实验室是高校人才培养的重要保障，是科学研究的主要基地，是社会服务和文化传承创新的主要场所。随着中国高等教育事业的快速发展，高校的实验室得到了跨跃式发展，实验室设备的数量和档次都有了极大的提升，那么设备的智能化管理就显得越来越重要。如何利用新技术加强设备的管理和使用，使其充分为教学实验、科学研究服务，就成为各高校在实验设备管理中急需解决的一个重要问题。
1目前高校实验设备管理存在的通用问题
目前全国各高校的实验设备管理基本还是采用传统管理方式，大多是采用设备卡片或纸制标签，通过手工方式管理。传统的设备标签只能表示设备的名称、型号、规格、购期等信息，而且标签很容易脱落，几乎每年都要重新制作标签。这样会加大设备管理人员的工作量。另外，依靠手工管理，效率低，容易错，设备标签更新困难，不方便使用计算机软件管理，更难做到使用物联网技术进行动态跟踪管理。虽然有些高校尝试采用新的方法，但结果都不尽人意。具体问题归纳为如下几点：
1)管理手段跟不上，造成重复购置设备。学校各二级学院在购置实验设备时对所要采购的设备调研不够，对设备的功能没有进行深度了解，对整个设备的利用率没有充分考虑，仅仅根据某门课程实验或一个科研项目的需要而定。这样势必会造成所选设备功能不齐全，很难做到设备共享，进而导致设备的重复购置。
2)不能对实验设备实时查询、动态跟踪监管和安全监控，导致设备丢失时有发生，给学校教学带来严重影响，造成不必要的损失。
3)建立和管理台帐繁琐。新采购的实验设备入账每次均要通过大量的手工操作进行分类登记，工作繁重，而且容易出错。
4)设备帐物卡清查工作不具备智能化。根据实验设备管理规定每年要对设备等资产进行清查，清查时要花大量的人力物力进行帐物卡的核对，费时费力，效率低下、出错率高。
5)大型仪器设备的许多技术参数和配置信息很难管理。参数和信息记录在数据库表或者电子文档里面，系统实施或维修需要时，查询和变更很麻烦，大大降低了工作效率，增加了维护维修成本。
2物联网和射频识别技术
物联网是通过射频识别技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。基于RFID的物联网是指将现实世界中所有物品通无线射频识别等传感设备与互联网连接起来，实现对这些物品的智能化识别和管理。
RFID技术是一种非接触的自动识别技术，其重要原理是利用射频信号和耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。最基本的射频识别系统由三部分组成：标签、阅读器和天线。在射频识别的实际应用中，电子标签贴在物体上，当贴有电子标签的物 体通过其可识别范围时，阅读器会自动以无接触的方式将标签中的信息读取出来，实现自动识别物体或自动收集物体标志信息的功能。在基于RFID技术的智能型实验设备管理系统中，还要利用中间件、计算机、网络等设备完成识别系统的管理。
3基于物联网RFID技术的高校实验设备管理系统的构建
高校实验室种类多，实验设备分布范围广。实现物联网最根本的目的是实现高效率科学化管理，实验实管理人员在办公室通过网络就能监控所有设备，减轻人力、物力、财力的投入，提高工作效率、管理水平和管理效能，真正实现实验设备的精细化管理，提高实验设备管理的速度和准确性，使各种设备管理能真正落到实处。系统的设计是结合嘉兴学院实验室实际情况，充分利用物联网技术和校园网平台，通过采用智能算法来优化各个子系统中的目标函数，从而提高设备管理和维护的水平，促进实验仪器设备的智能化与网络化管理进程。
3.1系统结构设计
基于物联网RFID技术的高校实验设备管理系统包括:服务器，管理机、RFID标签、固定式或移动式读写器，中间件，实验设备管理系统等。其中服务器是整个实验设备管理系统的核心部分，它主要包括实验室信息和实验设备信息等数据库。管理机通过设备管理系统对实验设备进行智能化管理。RFID标签用于提供实验设备识别的唯一编码，记录实验设备信息。固定式读写器用于实验设备的定位及跟踪，手持式读写器主要对分散、小型实验设备信息进行采集以及实验设备变动或清查时使用。RFID中间件为是读写器和设备管理系统提供接口。实验设备管理系统实现设备数据的维护和管理。
3.2软件设计
基于物联网RFID技术的高校实验设备管理系统采用B/S结构，数据统一存放在实验中心服务器，各实验室通过浏览器对自己实验室的设备进行管理。在系统开发过程中，采用模块化设计，这有利于各功能的完善性及可扩充性。系统的设计根据需要分为四个模块，充分实现验仪器设备的智能化与网络化管理。
3.2.1设备管理模块
该模块主要为各学院实验中心使用，是整个系统的基础部分，它包含了以下几个功能模块:实验设备入库、实验设备验收、大型仪器设备管理、设备变动管理。设备管理模块的使用是通过管理员权限设置后，各实验中心进入各自的设备管理模块，实时通过网络对新购实验设备办理入库登记手续，设备管理员进行设备验收审核后，等待实验室与设备管理处领导确认通过后，录入的数据会自动加入到设备数据库中，实验中心可以自行打印入库验收单以便办理设备财务报销手续。大型仪器设备管理和管理机主要实现对现有设备的实时查询、监管和安全监控（通过手机、ipad等终端实现远程报警）。实验设备如需变动，各实验中心可通过设备变动管理模块向实验室与设备管理处提交变动申请，等待实验室与设备管理处核实后实时办理相关手续。
图1系统运行效果图（设备入库）
3.2.2数据管理模块
该模块是主要包含：查询、数据上报、报表、对帐4个功能模块，是核心部分。在开发系统中，采用了智能算法来优化系统中的目标函数，利用数据挖掘来提高数据的处理效率。
3.2.3系统维护模块
该模块是主要包括：系统初始化、系统设置、数据库管理、实验室管理、用户管理、数据备份6个功能模块，是关键部分。系统维护模块主要是针对设备数据库的管理，同时包含了人员的注册授权等。数据备份模块，可避免因为计算机病毒或网络攻击等原因使系统遭受破坏，从而保障系统的及时恢复和安全运行。
3.2.4信息管理模块
该模块主要包含：技术讨论、意见反馈、信息、相关制度、办事流程5个功能模块。
4使用效果分析
使用基于物联网的智能型实验设备管理系统，实现了设备动态跟踪管理，真正实现24小时的无间歇监控。实验设备的基本数据、实验过程、实验设备的全生命周期以及设备的安全监控做到了全过程、全方位的系统管理，并实现了远程管理。减轻了实验设备管理人员的工作量，有效增强了实验室与设备管理处和教务处等相关职能部门的管理能力，从而提高了工作效率、提高了设备利用率、节约了设备采购成本、增强了管理水平。
1)相关领导通过本系统，很容易掌握全校各实验中心的使用情况及设备资产情况，进一步加强实验设备的调控性，解决实验设备的重置与闲置。同时对申报的新建项目、改扩建项目的审批、决策提供科学可靠的依据。
2)当设备的配置发生改变化时，用手持式读写器将很方便地完成修改电子标签的内容，同时新的信息可自动发送到服务器完成数据的更新，实时保持标签内容和数据库记录的一致性。
3)打破原来大规模、定期的实验设备等固定资产清查工作，转化为实时监测，定期或不定期地进行清查盘点。实验室人员通过网络可以在办公室实时检测所有设备的位置和完好情况，有效地加强了实验设备等资产的监督，保证了学校固定资产的安全。
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关键词：物联网工程；实践教学体系；模块化；课程群
中图分类号：G642；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-0-03
0 引 言
物联网工程专业是教育部为服务国家战略性新兴产业而开办的新型专业[1]，自2010年起，国内已先后有700多所高校开设了物联网相关专业[2]。经过6年的教学实践，物联网工程专业在课程设置和人才培养模式上取得了很大进步，但现阶段物联网工程专业的毕业生还无法满足物联网产业的发展需求，大部分毕业生只能支持产业的初级工作，而能够胜任物联网规划设计、开发和管理等方面的创新型工程应用人才十分紧缺。高校仍然处在物联网教育的初级阶段，人才培养体系不够完善，特别是实践教学环节还比较薄弱。本文针对物联网工程专业教学中存在的问题，根据物联网的知识体系结构和信阳师范学院物联网工程专业培养方案，以培养满足物联网产业发展所需要的创新型应用人才为目标，提出一套基于模块化的物联网工程专业的实践教学体系。
1 物联网工程专业教学存在的问题
目前物联网工程专业教学主要存在以下问题：
（1）没有形成系统化的课程设置体系，课程多而不精。由于物联网工程专业是一门多学科交叉专业，很多高校在课程设置上求全不求精，学生毕业后尽管知识面较广但无一技之长。
（2）各课程自成体系，教师只注重相关知识。
（3）实验教学模式单一，大部分实验还只停留在单门课程的验证性实验上，缺少本门课程内容的讲解，很少涉及课程间的相互联系，学生很难全面、系统的掌握与物联网相关课程相互融合的综合性实验，学生综合知识运用能力差。
（4）缺乏有实际开发经验的教师。高校教师的来源主要是高校应届毕业生，缺乏企业工作验和工程实践开发经历。
2 物联网工程专业实践教学体系模块化的意义
教学模块是围绕特定主题、特定技能训练所开展教学活动的组合[3，4]。模块化根据专业知识体系结构和人才培养目标，把内容联系紧密、内在逻辑性强、属同一技能范畴的课程作为一个模块来开展教学。对物联网工程专业的学生而言，实践教学体系模块化具有十分重要的现实意义。
2.1 优化课程体系结构，提高实验课程教学质量
由于物联网工程专业是一个多学科交叉专业，涉及计算机、电子、通信、自动化等学科[5]，目前专业指导思想不明确，课程规划繁杂，很多课程之间教学内容重复，课程特色不够鲜明，开课次序不合理，导致课堂效率低下，实验内容单一，部分内容重复，达不到通过实验提高学生知识运用能力、动手能力和创新能力的目的。而模块化实践教学将针对某一特定主题、技能开展教学活动，同一模块内任课教师构建教学团队，明确各门课程的教学任务，体现课程特色，整体优化教学体系，避免课程之间开课次序不合理、前后不衔接、内容重复等问题，提高实验课程教学质量。
2.2 口径宽与能力专相结合，培养个性化人才
从物联网工程专业培养目标来看，要求学生掌握电子技术、传感器技术、网络通信技术、计算机技术等众多实用技术，但受到教学总课时与学生精力、兴趣爱好等方面的限制，学生很难全面掌握物联网相关技术。而模块化实践教学可以根据学生的兴趣爱好、就业方向，提供个性化实践教学，着重培养学生在某一方面的实践能力和创新能力，使学生毕业后有一技之长，提高学生的就业竞争力。
2.3 促进教师从“单师型”向“双师型”转变
目前高校教师主要来源于高校应届毕业生，尽管这些教师具有较高的学历，理论基础扎实，但缺乏企业工作经验，实践操作能力相对薄弱，大部分老师只有教师资格证，没有工程师资质。而开展模块化实践教学，教师必须提高自身的实践操作能力和项目开发能力，促使教师到企业学习、进修，促进教师从“单师型”向“双师型”转变。
3 物联网工程专业实践教学体系模块划分的依据和原则
实践教学体系模块化并不是把物联网工程专业的课程按照相近程度进行简单划分，这是一项系统的工程，必须遵循一定的原则才能制定系统、科学、可操作的实践教学体系。在划分模块时，要遵循以下原则：
（1）系统性原则。系统研究物联网知识体系架构，从“物联网”系统的角度来划分模块。
（2）实用性原则。制定出的实践教学体系要具有实用性、针对性和高效性。在划分模块时，要分析每门实验课程的特色及实验应达到的目的和要求，注重同一模块内课程间知识的渗透、融合与前后衔接关系，强化学生的知识综合运用能力、实践能力和创新能力。
（3）遵循教育教学规律。实践教学要符合教育教学规律，循序渐进，从认知实践教学到专业技能实践教学，再到综合性创新性实践教学，逐步提高学生的动手能力。
（4）符合学校实际情况。要根据学校师资力量和学校实验室条件来制定切实可行的实践教学体系。
4 实践教学模块的划分
在划分模块时，必须深入研究物联网体系结构，理清各层所包含的主要技术及各层之间的关系。物联网是指通过传感器、射频识别等信息传感设备，按约定的协议把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、监控和管理的一种网络，其主要特征是通过传感器、射频识别等方式获取物质世界的信息，通过互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，提高对物质世界的感知能力，实现智能化决策和控制[6]。物联网的体系结构可以根据信息生成、传输、处理和应用划分为感知层、网络层、数据处理层和应用层[7，8]。依据物联网知识体系结构、信阳师范学院物联网工程专业培养方案和教育教学规律，把物联网工程专业的实践教学体系分为认知实践教学模块、程序设计与算法分析实践教学模块、感知层实践教学模块、网络层实践教学模块、数据处理层实践教学模块和应用层实践教学模块。
4.1 认知实践教学模块
认知实践教学模块主要包括计算机引论和物联网导论这两门课程的实践教学。该模块实践教学的目的是让学生掌握计算机硬件、软件、计算机网络、物联网的组成及相关技术，明确各专业课程的意义和相互联系，为后续学习打下坚实基础。实践教学主要将教师演示与学生操作相结合，让抽象的理论通过实验演示变得形象，让学生动手操作以激发学生的求知欲。计算机技术是物联网技术的基础，在讲授计算机引论时，应增加物联网的相关知识，既完善了计算机引论的知识体系，又为学生学习物联网导论打下坚实的基础。例如在演示计算机硬件组成时，可以增加对单片机、ARM芯片的讲解和演示；在做操作系统实验时，增加嵌入式操作系统的实验。物联网是计算机技术的一个典型应用，在讲授物联网导论时，要复习计算机引论相关内容，把两门课程中的相关内容进行分析、对比，不仅可以加深学生对知识的理解，而还以激发学生思考问题。通过这两门课程的学习，让学生明白计算机科学与技术专业和物联网工程专业的联系与差别，有利于学生的学业规划和职业规划。
4.2 程序设计与算法分析实践教学模块
程序O计与算法分析实践教学模块主要包括C语言程序设计和数据结构这两门课程的实践教学。该模块的实践教学目的是让学生掌握C语言、数据结构和算法设计等知识，着重提高编程能力和算法分析与设计能力。C语言程序设计实践教学从基础语法知识开始，逐步引入经典、有趣且与日常生活联系紧密的案例，引导学生从解决问题出发，学习编程知识，并培养学生的编程思维，提高学生的编程兴趣和编程能力。数据结构主要让学生掌握经典数据结构的逻辑结构、物理结构及相关算法实现，重点是数据的组织结构和算法实现。
4.3 感知层实践教学模块
感知层主要负责信息的采集和短距离传送，是物联网系统的核心层。我校针对感知层开设的课程有电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口、嵌入式系统、信号系统、传感器技术、无线传感网络、数据采集技术、射频识别技术、ZigBee技术等课程。本模块实践教学课程多，开课时间跨度大，且课程间知识联系紧密，所以实验教学内容一定要注意课程间的联系。依据课程间的相互关系，该模块实践教学可以细分为硬件课程群和数据采集课程群。
4.3.1 硬件课程群
该课程群包括电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口和嵌入式系统5门课程，主要使学生掌握计算机硬件系统的结构和工作原理，使学生具有计算机系统硬件开发能力和针对具体硬件进行软件开发的能力。该课程群的实验教学不仅加深了学生对理论知识的理解和巩固，还能激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，培养学生的创新意识，为以后的学习和工作打下坚实基础。目前，我校该课程群的实验采用“软件设计与仿真”和真实的硬件开发平台相结合的方式。软件设计与仿真实验主要是加深学生对理论知识的理解和运用，真实的硬件开发平台主要提高学生的动手能力和调试能力，这两种形式虚实结合，相辅相成，各有优势。
4.3.2 数据采集课程群
该课程群包括传感器技术、信号与系统、RFID技术、ZigBee技术、无线传感网络技术、数据采集技术等课程，主要让学生掌握传感器的基本原理、信号处理、数据采集、无线通信及组网技术等，使学生具有设计和开发数据采集系统的能力。目前，我校以北京奥尔斯科技股份有限公司开发的物联网创新实验箱为平台，依次开设有CC2530基础实验、传感器及控制器模块实验、ZigBee无线网络通信实验和嵌入式网关实验，通过这4部分的实验，逐步提高学生的动手能力和创新能力。
4.4 网络层实践教学模块
网络层主要负责信息的传输。该模块的内容使学生能够清晰地认识信息传输的过程、原理和应用，从而使学生能根据实际需要选择合适的通信方式构建物联网网络。我校针对网络层开设的课程有通信原理、计算机网络原理、TCP/IP协议分析、物联网组网技术和网络信息安全技术等课程。首先需要学习通信原理课程，主要内容有与信号相关的基础知识、模拟传输、数字基带传输、基本的数字频带传输、模拟信号数字化与PCM、信号空间分析与多元数字传输、现代数字传输技术、多用户与无线通信、信息论基础以及纠错编码等内容，使学生掌握通信的基本原理；其次，通过学习计算机网络原理、TCP/IP协议分析等课程，使学生认识信息传输的实现机制和具体技术；然后学习网络信息安全技术等课程，使学生了解信息传输中应该考虑的实际问题；最后，通过物联网组网技术课程的学习，使学生能够构建可行的通信网络，同时能够使学生把所学的知识贯穿起来，并在实践中加以应用。
4.5 数据处理层实践教学模块
数据处理层对网络层传输来的海量数据进行存储、处理和智能决策服务等。通过该模块的学习使学生掌握物联网工程中数据处理的基本过程、工作原理和主要方法，并利用这些知识对典型物联网应用领域提出具体的数据处理方案。我校针对数据处理层开设的课程有云计算、物联网数据处理技术、数据挖掘、人工智能等课程。通过云计算课程的学习使学生熟悉当前常用的海量数据存储方案和并行计算框架；通过物联网数据处理技术课程的学习，使学生掌握常用的采集数据的预处理方法，确保采集数据的有效性；通过数据挖掘和人工智能课程的学习，使用相关知识能够在大量采集的数据中发现有价值的规律并加以验证，最后，将发现的有价值的规律应用到实践中，产生实际的应用价值。
4.6 应用层实践教学模块
应用层主要为用户提供良好的解决方案。我校针对应用层开设的课程有数据库技术、操作系统、Linux操作系统、Java语言、网络编程技术、移动软件开发技术等课程，主要让学生掌握数据库技术、操作系统原理、网络编程技术和移动软件开发技术，能根据实际需求设计并实现高效、可用的物联网应用层软件。在前述各模块的基础上，该模块教学过程以典型应用驱动的方式开展。以当地水质检测、茶叶种植场所的土壤养分监控为例，使用Java语言，基于Linux操作系统和MySQL关系型数据库，以Browser/Server架构为指导，实现此类型的物联网典型应用，用户可以通过移动设备方便、快捷地使用这些系统。通过该模块的实践教学，最终使学生将所学知识运用到实践中，让学生深刻体会到实践在学习中的重要性，从而提高他们学习和从事研究的兴趣。
5 模块化实践教学体系实施方案
为了达到模块化实践教学目的，必须遵循教学规律，制定由浅入深，循序渐进的实施方案，整个实践教学过程大体按照认知实践教学模块、程序设计与算法分析实践教学模块、感知层实践教学模块、网络层实践教学模块、应用层实践教学模块和数据处理层实践教学模块的次序开展。由于每个模块包含多门课程，各模块之间开课时间有部分重叠。为进一步提高学生的动手能力和综合知识运用能力，在大四上学期根据学生兴趣和就业方向开展有针对性的C合性实践教学，使学生具有一技之长。具体实践教学体系如表1所列。
6 结 语
物联网工程专业是集计算机专业、通信专业、自动化专业为一体的交叉学科，是一个典型的基于工程应用的学科。因此，实践教学对人才培养质量起着至关重要的作用。本文针对目前物联网工程专业教学存在的问题，提出一套基于模块化的物联网工程专业实践教学体系。该实践教学体系有以下优点：
（1）层次清晰。从认知教学到专业技能模块教学，再到综合性实践教学，由浅入深，由易到难，层次清晰，环环相扣。
（2）教学目标明确。通过系统化的分析方法将物联网工程专业的众多课程分为6个模块来开展实践教学，每个模块教学目标明确，着重强化学生的动手能力和综合应用能力，提高实践教学的效果。
（3）人才特色鲜明。除认知实践教学模块外，每个实践教学模块都对应了物联网工程专业的一个就业方向，学生可以根据自己的兴趣，加强该模块的学习和实践开发，使学生具有一技之长。经过多年教学实践表明，该方案科学合理、切实可行，教学质量得到显著提高。
参考文献
[1]吴功宜.对物联网工程专业教学体系建设的思考[J].计算机教育，2010（21）：26-29.
[2]周鹏，王金凤，刘兆瑜，等.物联网工程专业人才培养模式研究[J].软件导刊・教育技术，2015，14（10）：41-43.
[3]邵一江，刘红.基于能力导向的模块化教学体系构建[J].合肥学院学报（自然科学版），2013，23（4）：58-63.
[4]陈鹤鸣，王玮，李峻.基于创新人才培养的模块化教学研究[J].闽江学刊，2013，5（2）：93-97.
[5]彭剑，戴经国，茂，等.物联网工程专业实践教学体系设计[J]. 计算机教育，2015（4）：111-113，118.
[6]朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报，2010，31（11）：2-9.