第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 背景
目前高职院校在国家示范性标准的要求指导下，基于人才培养和创新的要求，在专业建设、课程改革、教学方式方法的改进以及各种基础设施的建设方面均有了飞速发展，尤其在实验实训基地建设方面有较大的突破，不仅在资金，设备投入，在人员管理和软件管理方面也有较大的投入，实验室基础设施相对较完善。但是目前高职院校的实验实训基地大部分仍采用传统的人工管理方式，实验实训设备主要依靠实训教师和管理人员采用人工的方式管理和维护，设备利用率低，技术落后，数据的存储、与使用困难，工作效率低，不仅实验室的管理智能化与数字化很低，而且给学校造成资源浪费，运行成本高等问题，严重制约了创新人才培养与素质教育的发展。实验室管理现状主要表现如下：
1.1 研究背景和意义
1.1.1 背景
目前高职院校在国家示范性标准的要求指导下，基于人才培养和创新的要求，在专业建设、课程改革、教学方式方法的改进以及各种基础设施的建设方面均有了飞速发展，尤其在实验实训基地建设方面有较大的突破，不仅在资金，设备投入，在人员管理和软件管理方面也有较大的投入，实验室基础设施相对较完善。但是目前高职院校的实验实训基地大部分仍采用传统的人工管理方式，实验实训设备主要依靠实训教师和管理人员采用人工的方式管理和维护，设备利用率低，技术落后，数据的存储、与使用困难，工作效率低，不仅实验室的管理智能化与数字化很低，而且给学校造成资源浪费，运行成本高等问题，严重制约了创新人才培养与素质教育的发展。实验室管理现状主要表现如下：
(1)实验实训设备采用人工登记方式，从采购、入库、出库、更新、盘查清点均为人工方式，不仅工作量繁重，容易出错，而且不能对设备进行实时跟踪、监管与维护，造成设备丢失、损坏严重等现象，给管理人员带来很大麻烦，也给学校造成财产损失。
(2)实验过程中产生的数据是以几何级的增长，由于没有公共的平台或者服务器来存储教师教学过程的有效数据，相同课程的资源重复建设，共享率低，造成时间和精力的浪费。
(3)传统实验室的门窗、灯光均使用机械和手动方式开关，实验室内环境的安全（如火灾、非法入侵），在节假日或者非工作日无人监管情况下，一旦出现盗窃、火灾，不能实现远程监控并及时发现灾情，不能体现智能化和信息化，将会给实验设备造成毁灭性的损失。
(4)计算机专业的大部分课程实践性强，除了课堂的教学，必须利用更多的时间实践来巩固和提高，但是很多的实验室均不在课余时间开放，不能为学生的实践提供需求。
(5)基于我校目前的校区分散，各院的实验室建设风格杂乱，不能协调统一，维护起来归属不清，就会造成很多设备闲置或无人管理。
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1.2 国内外研究动态
1.2.1 国外研究动态
物联网的概念，是美国麻省理工学院的 Kevin-Ash-ton 教授在 1991 年第一次提出来的[6]， 2005 年国际电信联盟在世界信息峰会上指出了物联网时代的到来。2004年后，日本相继制定 e-Japan、u-Japan、i-Japan 等战略计划，希望建设一个泛在的网络社会。2005 年国际电信联盟在信息社会峰会上引用了“物联网”概念。2006 年韩国确立了 u-Korea 计划，目的是在民众生活环境里建设智能网络和各种新型应用，让民众可以随时随地享有科技智慧服务[7]。2009 年欧盟执委会发表了加强对物联网进行管理的物联网行动计划。同年，在美国总统奥巴马参与一次与工商业领袖的“圆桌会议”上，IBM 的 CEO 彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，同年美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。同年 2 月 IBM 公布了“智慧地球”的最新策略。“智慧地球”被美国认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。
(2)实验过程中产生的数据是以几何级的增长，由于没有公共的平台或者服务器来存储教师教学过程的有效数据，相同课程的资源重复建设，共享率低，造成时间和精力的浪费。
(3)传统实验室的门窗、灯光均使用机械和手动方式开关，实验室内环境的安全（如火灾、非法入侵），在节假日或者非工作日无人监管情况下，一旦出现盗窃、火灾，不能实现远程监控并及时发现灾情，不能体现智能化和信息化，将会给实验设备造成毁灭性的损失。
(4)计算机专业的大部分课程实践性强，除了课堂的教学，必须利用更多的时间实践来巩固和提高，但是很多的实验室均不在课余时间开放，不能为学生的实践提供需求。
(5)基于我校目前的校区分散，各院的实验室建设风格杂乱，不能协调统一，维护起来归属不清，就会造成很多设备闲置或无人管理。
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1.2 国内外研究动态
1.2.1 国外研究动态
物联网的概念，是美国麻省理工学院的 Kevin-Ash-ton 教授在 1991 年第一次提出来的[6]， 2005 年国际电信联盟在世界信息峰会上指出了物联网时代的到来。2004年后，日本相继制定 e-Japan、u-Japan、i-Japan 等战略计划，希望建设一个泛在的网络社会。2005 年国际电信联盟在信息社会峰会上引用了“物联网”概念。2006 年韩国确立了 u-Korea 计划，目的是在民众生活环境里建设智能网络和各种新型应用，让民众可以随时随地享有科技智慧服务[7]。2009 年欧盟执委会发表了加强对物联网进行管理的物联网行动计划。同年，在美国总统奥巴马参与一次与工商业领袖的“圆桌会议”上，IBM 的 CEO 彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，同年美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。同年 2 月 IBM 公布了“智慧地球”的最新策略。“智慧地球”被美国认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。
2013 年，高通、思科、海尔、LG 等公司就联合起来组成了名为 AllSeen Alliance的技术联盟，希望借联盟的力量推动物联网的发展。随后，各种由大公司牵头的物联网联盟相继成立。2014 年，英特尔、三星、戴尔等公司共同成立了智能家居设备标准联盟--开放互联联盟（OIC），旨在与 AllSeen Alliance 联盟一较高下[8]。
2014 年 1 月，谷歌宣布以 32 亿美元收购美国智能家居公司 Nest Labs，谷歌收购这家创立于 2010 年的公司的重要原因在于加速布局智能家居产业，希望在物联网领域占得一席之地。在 2015 年 7 月，百度就联合中国互联网协会发起成立了中国互联网协会物联网工作委员会，同年，还发布了物联网平台 BaiduIoT。国内的另两大互联网公司，阿里和腾讯也都相继推出了自己的物联网操作系统和物联网平台。同时，华为、中兴等硬件厂商也在布局物联网领域。
2016 年欧盟计划投入超过 1 亿欧元支持物联网重点领域。
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第二章 物联网相关技术
2. 1 物联网技术
2.1.1 物联网技术概述
物联网（Internet of Things,IoT)是在互联网、移动通信网的基础上，利用具有感知、传输与计算能力的物理设备，按照约定的协议，将所有能够独立寻址的任何物品与互联网连接起来，进行信息通信，以实现人与物，物与物之间互联、感知、传输、智能处理的智能信息网络。
物联网的规模化与多样化决定了物联网技术多样化，支撑一个物联网应用系统的设计、组建、运行、应用与管理需要多方面的技术，包括：自动感知、嵌入式、移动通信、计算机网络、数据处理、智能控制、信息安全等关键技术。
物联网体系结构可以由三个层次：感知层（感知控制层）、网络层和应用层组成。
2.1.2 感知层技术
感知层是物联网模型的基础，它由基本的感应设备（例如 RFID 标签和读写器、传感器、摄像头、GPS(Global Positioning System-全球定位系统)、二维码标签和读卡器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（例如 RFID 网络、传感器网络等）两大部分组成。感知层节点主要负责采集感知信息(例如温湿度、PM2.5、光照、视频、读卡信息等)，并通过自组织无线传感器网络，把采集到的信息发送给网关[15]。该层的关键技术包括射频技术（RFID）、传感器技术、二维码技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS-Fieldbus Control System 是分布控制系统的更新换代产品）等。
（1）RFID 技术，标签又称为“电子标签”，也称“无线射频识别”。它是一种非接触式的自动识别技术，它利用无线射频信号交变电磁场的空间耦合方法，自动传输标签芯片存储的信息，实现无接触的标签信息自动传输与识别的技术，并能根据传递信息识别物体。读写器对信息解码后进行读写操作，再传送到信息系统中，由中央系统对数据信息进行处理。
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2.2 智能传感器与无线传感器技术
2.2.1 智能传感器技术
传感器是一种检测装置，能感受到被检测对象的相关信息，并能将检测和感受的信息转换成电信号输出，信号必须满足感知信息的传输、处理、存储和控制等要求。根据传感器的工作原理，可以分为物理传感器和化学传感器两大类，生物传感器属于特殊的一类化学传感器。常用的物理传感器包括：热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器、射线传感器等。化学传感器有：离子传感器、气体传感器、湿度传感器、生物传感器。
传感器的技术指标包括静态特性与动态特性两类。静态特性是指被测量处于稳态时的输入信号与输出量的对应关系，不含时间变量，输入信号与输出量的对应关系可以用一个不含时间变量的议程式或一个二维的特性曲线表示。它的技术指标包括：线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、漂移、测量范围、精度。动态性是指输入信号对应随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，它的输出信号对应输入量的响应特性不随时间变化，或者变化小，它反映出传感器测量精度、重复性与可靠性高。
传感网的整体技术性能由智能传感器的技术水平来决定。智能传感器是用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体的智能数据终端设备，它具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信等功能。并且具有自学习、自诊断与自补偿能力；复合感知能力；灵活的通信能力等特点。
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2014 年 1 月，谷歌宣布以 32 亿美元收购美国智能家居公司 Nest Labs，谷歌收购这家创立于 2010 年的公司的重要原因在于加速布局智能家居产业，希望在物联网领域占得一席之地。在 2015 年 7 月，百度就联合中国互联网协会发起成立了中国互联网协会物联网工作委员会，同年，还发布了物联网平台 BaiduIoT。国内的另两大互联网公司，阿里和腾讯也都相继推出了自己的物联网操作系统和物联网平台。同时，华为、中兴等硬件厂商也在布局物联网领域。
2016 年欧盟计划投入超过 1 亿欧元支持物联网重点领域。
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第二章 物联网相关技术
2. 1 物联网技术
2.1.1 物联网技术概述
物联网（Internet of Things,IoT)是在互联网、移动通信网的基础上，利用具有感知、传输与计算能力的物理设备，按照约定的协议，将所有能够独立寻址的任何物品与互联网连接起来，进行信息通信，以实现人与物，物与物之间互联、感知、传输、智能处理的智能信息网络。
物联网的规模化与多样化决定了物联网技术多样化，支撑一个物联网应用系统的设计、组建、运行、应用与管理需要多方面的技术，包括：自动感知、嵌入式、移动通信、计算机网络、数据处理、智能控制、信息安全等关键技术。
物联网体系结构可以由三个层次：感知层（感知控制层）、网络层和应用层组成。
2.1.2 感知层技术
感知层是物联网模型的基础，它由基本的感应设备（例如 RFID 标签和读写器、传感器、摄像头、GPS(Global Positioning System-全球定位系统)、二维码标签和读卡器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（例如 RFID 网络、传感器网络等）两大部分组成。感知层节点主要负责采集感知信息(例如温湿度、PM2.5、光照、视频、读卡信息等)，并通过自组织无线传感器网络，把采集到的信息发送给网关[15]。该层的关键技术包括射频技术（RFID）、传感器技术、二维码技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS-Fieldbus Control System 是分布控制系统的更新换代产品）等。
（1）RFID 技术，标签又称为“电子标签”，也称“无线射频识别”。它是一种非接触式的自动识别技术，它利用无线射频信号交变电磁场的空间耦合方法，自动传输标签芯片存储的信息，实现无接触的标签信息自动传输与识别的技术，并能根据传递信息识别物体。读写器对信息解码后进行读写操作，再传送到信息系统中，由中央系统对数据信息进行处理。
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2.2 智能传感器与无线传感器技术
2.2.1 智能传感器技术
传感器是一种检测装置，能感受到被检测对象的相关信息，并能将检测和感受的信息转换成电信号输出，信号必须满足感知信息的传输、处理、存储和控制等要求。根据传感器的工作原理，可以分为物理传感器和化学传感器两大类，生物传感器属于特殊的一类化学传感器。常用的物理传感器包括：热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器、射线传感器等。化学传感器有：离子传感器、气体传感器、湿度传感器、生物传感器。
传感器的技术指标包括静态特性与动态特性两类。静态特性是指被测量处于稳态时的输入信号与输出量的对应关系，不含时间变量，输入信号与输出量的对应关系可以用一个不含时间变量的议程式或一个二维的特性曲线表示。它的技术指标包括：线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、漂移、测量范围、精度。动态性是指输入信号对应随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，它的输出信号对应输入量的响应特性不随时间变化，或者变化小，它反映出传感器测量精度、重复性与可靠性高。
传感网的整体技术性能由智能传感器的技术水平来决定。智能传感器是用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体的智能数据终端设备，它具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信等功能。并且具有自学习、自诊断与自补偿能力；复合感知能力；灵活的通信能力等特点。
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第三章 智慧实验室管理系统的设计.................................19
3.1 构建智慧实验室管理系统的需求............................................ 19
3.1.1 设备管理需求.........................................19
3.1.2 环境监控需求........................................19
第四章 智慧实验室管理系统的实现....................................29
4.1 教师端管理系统实现方案................................ 29
4.2 学生端管理系统实现方案............................ 29
4.3 系统数据库的实现............................... 29
第五章 系统测试........................................49
5.1 硬件测试....................................... 49
5.2 软件功能测试..................................... 49
第五章 系统测试
5.1 硬件测试
测试内容包括传感器数据采集的正确性、控制器的控制效果等，如下表 2 所示：
5.1 硬件测试
测试内容包括传感器数据采集的正确性、控制器的控制效果等，如下表 2 所示：
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结论
基于物联网技术的智慧实验室管理系统功能的实现是以物联网技术为核心，系统硬件以云边路由器为核心，来构建一个完整的智慧实验室管理系统。
管理系统的功能主要由教师端，学生端及班牌系统三大模块组成。教师端管理系统可实现对硬件设备状态查询、设备控制、门禁授权、教学课程安排、报警推送等。学生端管理系统可实现对硬件设备状态查询、设备控制、申请授权、课程信息展示、报警推送等。智慧校园文化班牌系统可实现与教师的学科教学、班主任的德育教育、学生的成长数据、以及学校的信息发布、校园的物联网数据等有机结合，
基于物联网技术的智慧实验室管理系统功能的实现是以物联网技术为核心，系统硬件以云边路由器为核心，来构建一个完整的智慧实验室管理系统。
管理系统的功能主要由教师端，学生端及班牌系统三大模块组成。教师端管理系统可实现对硬件设备状态查询、设备控制、门禁授权、教学课程安排、报警推送等。学生端管理系统可实现对硬件设备状态查询、设备控制、申请授权、课程信息展示、报警推送等。智慧校园文化班牌系统可实现与教师的学科教学、班主任的德育教育、学生的成长数据、以及学校的信息发布、校园的物联网数据等有机结合，
实现校园信息发布的功能。
通过智慧管理系统，为学生提供良好的实验实践平台，提高他们物联网技术应用水平；同时为教师提供物联网应用研究的科研平台，通过创新实训室促进教师与科研人员进行更好的科研研究沟通，为教师、学生和管理人员提供智能化、安全化、可视化的管理平台。通过智慧校园班级管理系统，为全校师生提供一个集信息整合、采集、传输、发布于一体的综合信息服务平台，实现了从物理环境、资源到活动、教学管理的数字化、智能化，提升校园管理的效率，实现教学过程的全面信息化，达到提高教学管理水平和教学效率的目的。
该系统未能解决的问题：对硬件设备的管理不能完全实现智能化，在人员出入实验场所的设备安全管理方面还不能实现实时的智能管理，智慧校园班牌系统运行中不存在一些漏洞，今后在对设备的管理方面应加强研究与探索，争取利用新技术在软件开发过程中，真正实现实验室的智能化管理。
参考文献（略）
参考文献（略）