基于物联网的高校实验室资源信息管理系统的设计

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摘要：为提高实验员工作效率，加强高校实验室资源的信息化管理，笔者以数字传媒类专业实验室为例，设计了基于物联网的高校实验室资源信息管理系统。该系统包含预约管理、设备管理、实验室管理和互动交流等四个模块，其采用身份验证技术和配置网络端口的方式来保证数据库的安全。本文从需求分析、功能模块设计、数据库设计、系统安全性分析四个方面对系统设计进行了详细阐述。

关键词：物联网；实验室资源；信息管理系统

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）20-0126-04

引言

近年来，随着社会对技能型人才需求量的不断提升，各高校投入大笔资金建设专业实验室，并加大实验教学的课时量，因而实验室及设备的使用频率不断提高，设备的借出和归还手续繁杂，加大了实验室管理人员的工作量。因此，如何运用信息技术对高校实验室资源进行信息化管理成为高校实验室管理人员所面临的重要课题之一。

目前，物联网技术为高校实验室资源进行信息化管理提供了契机。它是以互联网为基础，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。基于物联网技术的特点，高校实验室资源可在设备管理、实验室管理、预约管理等方面开展信息化管理，并运用实验室管理的理念及物联网技术，构建信息管理系统。

需求分析

本研究以数字传媒类专业为例，设计该专业的实验室资源信息管理系统。该系统包括预约管理功能、设备管理功能和实验室管理功能等，它的设计主要基于以下四方面的需求。

第一，顺应信息时代的发展趋势，实现实验室资源的数字化管理。目前，高校对实验设备借还及实验室借用，基本都依靠纸质表格或实验室使用日志进行管理，这种传统的管理方式既加大了实验室管理人员的工作量，又容易导致工作失误。而利用信息管理系统则能明显提高实验室管理人员的工作效率。

第二，合理安排专业实验教学设备和场所。在广东技术师范学院，数字传媒类专业重在培养学生的实践操作能力，实验教学是培养该能力的最佳途径。因而，学校为这一类专业的实验教学配备了若干实验室，并采购了摄像机、苹果一体机等设备。而利用信息管理系统则可使这些实验场所和设备更好地为师生的实验教学和课外创作服务。

第三，使实验室资源管理走向科学化与规范化。数字传媒类专业实验室造价高，各种设备价格昂贵，因此，我们应该进行信息化管理，发挥实验室资源的实际价值。

第四，为师生、管理员提供一个互动交流空间。教师可利用互动交流空间指导学生开展实验教学，为学生解答实验教学中的问题。同时，教师和学生可向管理员提出有关实验室建设和应用的建议，共同把实验室建设成开展实验教学的平台。

功能模块设计

基于物联网的高校实验室资源信息管理系统包含预约管理模块、设备管理模块、实验室管理模块和互动交流模块。物联网为该系统提供了多方面的技术支持，使信息管理系统更加智能化和便捷。

1.预约管理模块

预约管理模块针对学生/教师、管理员两种身份设计了不同的子模块。针对学生/教师身份，设计了预约设备、预约实验室两个子模块。针对管理员身份，设计了审核预约信息、分配借用权限两个子模块。在分配借用权限这一子模块中包含了生成二维码的功能，该功能是运用物联网RFID标签技术，所生成的二维码与设备上的RFID标签相关联，且能用于标记设备或实验室的借用状态（如图1）。

2.设备管理模块

设备管理模块主要完成对单反相机、摄像机、三脚架、摄影灯具等实验器材的借还手续办理及设备位置跟踪。拿到设备借用权限的学生/教师登录信息管理系统，并下载由系统自动生成的借用申请表。管理员通过扫描申请表上的二维码便可了解学生/教师需要借用的设备名称、序列号，并在信息管理系统中标记借出的状态。该模块针对学生/教师、管理员两种身份设计了不同的子模块。利用学生/教师身份登录该模块，可点击下载由系统自动生成带二维码的借用申请表。利用管理员身份登录该模块，可进行设备基本信息录入、设备库存查看、设备位置跟踪等操作。

在进行设备基本信息录入时，管理员可采用扫描器技术，通过扫描贴在设备上的RFID标签，将设备的名称、序列号、价格、购置日期、性能参数等信息扫入系统中进行存储。在设备库存查看模块中，管理员可实时了解设备借出的数量、现有的数量等情况，方便设备的调度、保管等工作。在设备位置跟踪模块中，管理员还可应用系统定位技术，判断贴有RFID标签的设备当前所处的位置，并利用该模块了解设备使用的场所，扩展管理范围，有利于保证设备安全（如图2）。

3.实验室管理模块

实验室管理模块主要是对专业实验室的课程安排及借用进行管理。该模块针对学生/教师和管理员两种身份分别设置了子模块（如图3）。针对学生/教师身份的子模块具有生成带二维码的借用申请表的功能，通过扫描该二维码，系统可以显示学生/教师所借用的实验室名称和编号，还能够记录实验室的借用状态。针对管理员身份的子模块设置了实验室基本信息录入、实验课程安排、当前使用状态三个子模块。其中，实验室基本信息录入子模块利用了扫描器技术，可以将实验室的RFID标签扫描后，把实验室的名称、编号、室内设备、容纳人数、主要用途、造价、建成日期等信息自动录入计算机，从而方便管理人员了解每间实验室的大致情况。实验课程安排子模块则显示了所有实验室在不同时间段的使用状态，当前使用状态子模块则显示了所有实验室在当前的时间段内是否被使用，这两个子模块对管理员具有重要参考价值，如果遇到没有课程安排且无人使用的实验室则优先予以安排。

4.互动交流模块

互动交流模块用于学生和教师之间交流实验教学的心得和体会，帮助学生更好地掌握实验技能，是一个学生与教师开展实验教学的在线互动平台。同时，该模块还可为管理员提供一个收集实验室建设与应用建议的平台。该模块针对学生/教师、管理员两种身份分别设置了子模块（如下页图4）。利用学生/教师身份登录平台，可以针对实验教学中遇到的问题或实验教学中的心得和体会，以帖子形式进行互动交流。利用管理员身份登录平台，可通过扫描学生证和教师工作证上的二维码获取相关个人信息，并录入信息管理系统，实现用户注册。随后，学生/教师便可利用个人编号登录到各个模块中。管理员可对帖子进行、查看、删除等操作。

数据库设计

数据库是信息管理系统的核心和基础。它把信息管理系统中大量的数据按一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索数据的功能，使信息管理系统可以方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息。[1]基于物联网的高校实验室资源信息管理系统中的数据库包含设备、实验室的静态数据以及其状态的动态数据。通过需求分析和系统功能模块分析，笔者得出的各模块所包含的数据项和数据结构如下。

①预约管理模块：因该模块对学生/教师而言，需要查看设备库存数量和实验室借用状态，对管理员而言，需要根据设备库存数量和借用状态以及实验室的借用状态和课程安排，分配借用权限，所以它应包含三张数据表，即用户（姓名、学号、工号、密码），设备（设备名称、序列号、库存数量、借用状态），实验室（实验室名称、编号、室内设备、借用状态、课程安排）。

②设备管理模块：该模块主要针对管理员而开发的，它不仅能帮助管理员了解设备的一些基本静态信息、库存数量、借出的数量，而且还能让管理员实时了解设备的位置，加强管理强度。因此，它对应的数据表为设备管理（名称、序列号、价格、购置日期、性能参数、库存数量、借出数量、借用状态、设备位置跟踪）。

③实验室管理模块：该模块也是针对管理员而开发的，它可以让管理员全面了解实验室的一些基本情况和目前的借用情况以及课程安排情况，方便管理员分配实验室给学生使用。其对应的数据表为实验室管理（实验室名称、编号、室内设备、容纳人数、主要用途、造价、建成日期、借用状态、课程安排）。

④互动交流模块：该模块可让学生/教师、管理员以帖子形式开展讨论与交流，对学生/教师而言可进行、查看帖子，对管理员而言可对学生/教师用户进行管理，以及对帖子进行管理。该模块包含两张数据表，即用户管理（姓名、性别、年级、学号、工号），帖子管理（标题、内容、发表日期、姓名、性别、年级、学号、工号）。

为充分反映用户要求，笔者还构造了一个数据库E-R模型图，其特点：第一，能真实、充分地反映现实世界及其事物与事物之间的联系；第二，易于被用户理解；第三，易于修改和扩充；第四，易于向关系、网状、层次等其他数据模型转换。[2]

为减少数据的冗余性，笔者将上述所列举的各功能模块对应的数据表进行简化和综合，得出4张数据表：一是用户（姓名、性别、年级、学号、工号、密码），二是设备（设备名称、序列号、价格、购置日期、性能参数、库存数量、借出数量、借用状态、设备位置跟踪），三是实验室（实验室名称、编号、室内设备、容纳人数、主要用途、造价、建成日期、借用状态、课程安排），四是帖子（标题、内容、发表日期）。

笔者采用E-R图进行数据库的概念结构设计，明确表达了用户与设备、实验室、帖子之间的关系，如图5所示。

系统安全性分析

数据库安全就是保证数据库信息的保密性、完整性、一致性和可用性。当数据库被使用时，应确保合法用户得到数据的正确性，同时要保护数据免受威胁。[3]该信息管理系统采用了身份验证技术和配置网络端口的方式来保障数据库的安全。

第一，身份验证技术。基于物联网的高校实验室资源信息管理系统不允许未经身份验证的用户登录并对数据库进行操作。该系统使用Session对象记录用户的用户名和密码，当用户将浏览器关闭后，所建立的会话链接自动断开，从而保证用户信息的安全。

第二，配置网络端口。基于物联网的高校实验室资源信息管理系统的数据库属于端口型数据库，因此非常有必要进行网络端口的安全配置，以防止黑客攻击。该系统安装后将在TCP/IP筛选的选项卡里设置只允许在TCP端口80和443上分别进行HTTP和HTTPS连接。

总结

笔者所设计的基于物联网的高校实验室资源信息管理系统具有预约管理、设备管理、实验室管理和互动交流管理四个功能模块，能减轻高校实验员的工作负担，提高工作效率，在二维码技术、RFID标签技术等物联网技术的支持下，还能让相关实验设备的信息录入、信息查询和位置跟踪等工作进一步智能化、人性化和规范化，使实验室资源能公平地分配给学生和教师使用，同时也保证了设备的安全。在后续研究中，该系统的开发将应用环境配置方便、开发周期短的ASP技术，通过合理地编写代码，使代码的执行效率和系统数据库的安全性提高。

参考文献：

[1]林乐杰.科研管理信息系统中数据库的设计与实现[D].北京：北京化工大学，2006：27.

[2]萨师煊，王珊.数据库系统概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]吴溥峰，张玉清.数据库安全综述[J].计算机工程，2006，32（12）：85.