基于物联网技术的自动化专业开放实验室管理平台建设

2021-01-27付秀伟赵广磊

物联网技术 2020年12期

付秀伟，付莉，赵广磊

（1.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林 132022；2.燕山大学自动化学院，河北秦皇岛 066004）

0 引言

自动化专业是综合性专业，涉及控制、电工、电子、传感、计算机、网络、电机等知识，学习内容多，范围广。该专业学生可从事自动化及相关领域的设计、研发、科研、技术管理等工作，主要解决复杂工程问题[1]。自动化专业主要应用于化工行业、智能交通行业、电网相关行业、污水处理行业、公共服务行业等。“中国制造2025”和“工业4.0”对自动化专业提出新挑战[2-3]，必须增强工程实践教育，拓展学生工程实践内容。传统实践教学方式是对理论教学的验证，仅针对课程内容进行实践教学[4]，学生参与实验室学习时间少，不能有效、合理利用实验室资源进行实践部分学习。本文提出的基于物联网技术的自动化专业开放实验室管理平台采用网络预约，有效提高了实验室设备利用率；通过网络对实验室设备和实验室进行管理和监督，让师生利用业余时间参与实验室教研、科研、学科竞赛等活动，激发师生学习热情。

1 传统实验室的现状及所存在的问题

1.1 实验室安全与管理方面的不足

目前，传统实验室存在实验室匮乏，实验设备过多，一个实验室供多个课程共用试验台等现象。传统的实验室管理模式无法满足现有教学和科研要求，存在管理方案不合理、安全管理有漏洞、管理体制不健全等问题；多科室各司其职，难以对实验室进行合理、有效的管理[5]；师生无法更好地在实验室开展教学、科研和学科竞赛等活动；实验设备陈旧、老化。传统实验室管理存在的漏洞，与实验室信息化建设管理、共享平台健全机制、高校师生需求逐年加大的矛盾日益突出。

1.2 开放实验室运行困难

自动化专业实验室是面向全体师生开展实践教学、科学研究、学科竞赛、培养学生创新创业和实践能力等活动的重要平台[6]。与传统实验室相比，开放实验室可以合理、有效地利用实验室设备，提高实验设备的利用率。但随着开放实验室的加大使用，开放的实验项目和类型增多，实验人员剧增，而现有实验设备陈旧、维修不及时造成实验不能完整进行[7]；此外，进入实验室的人员安全素质参差不齐，实验设备报备不及时，实验用电、仪器仪表操作安全事故发生率也随之增加，都增加了开放实验室的安全问题。

2 基于物联网技术的自动化专业开放实验室管理平台架构设计

物联网技术是构建自动化专业实验室管理平台的关键技术，采用物联网技术[8]可更好地合理配置资源，有效利用实验室资源进行实践教学，培养学生创新能力和工程实践能力，也有助于教师科研创新。学生可利用业余时间开展大学生创新创业项目、“互联网+竞赛”、各种电子竞赛等[9]；专业老师利用空余时间进行科研和教学实践工作，提高成果转化率[10]。根据自动化专业实验室的实际情况，结合物联网的特点，本文构建了自动化专业实验平台构架模型，如图1所示。自动化专业实验平台构架包括设备管理系统、实验室预约系统、实验室监控系统、后台管理系统等四大系统。

图1 自动化专业实验平台构架模型

2.1 设备管理系统

自动化专业现有专业课包括自动控制理论、电力电子技术、电机与拖动基础、电力拖动控制系统、自动化检测仪表、工业过程控制、集散控制系统、现代控制理论、信号与系统等课程。每门课程都有12学时实验，实验课程较多，便会出现几门课共用一个实验室，容易出现学生扎堆做实验的情况，不利于实验设备合理而有效使用。本专业对每个实验室的设备进行统一编号，采用无线射频技术实现对设备使用情况的跟踪，了解设备使用状况；合理有效地分配给学生，并对师生在使用过程中出现的问题，如设备损坏、器件损坏、设备增减、设备借用等及时处理，使设备始终处于正常状态。

2.2 实验室预约系统

自动化专业所有的实验室均采用微信公众号开放式预约方式，师生可通过微信公众号平台预约实验设备，从微信公众号进入自动化专业实验室栏目，即可了解实验室已被占用的时间段，师生就可预约其他空余时间段。

2.3 实验室监控系统

实验室监控系统主要由安全用电监控和实验室环境监控组成。实验室开放使用，其设备使用频率相比传统实验室更高，提高了实验设备的利用率。但随着设备使用时间加长，加快了实验设备老化程度，易发生线路短路现象，处理不当则会发生火灾，因此安全用电尤为重要。实验室环境监控主要包括防火监控、防爆监控、防水监控，确保实验室设备正常运行。