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电子信息工程实验室研究

摘要:工业4.0下的电子信息工程专业智慧实验室的构建过程是‘互联网+’的创新发展过程,对于我国现有的传统实验室建设而言,转型实际上是从传统的人工管理的实验室,转向个性化定制的过程。实验设备、运行模式、使用状态、实验组织等方面的创新,将会层出不穷。使整个实验室课程的课表安排、上课预约、智能考勤的过程更加柔性化、个性化、定制化,实现以人为本。应用型本科院校为了加强本科生的实践操作能力与创新能力,主要途径就是不断加大对智慧实验室的相关技术和设施的投入和研究。

关键词:工业4.0,互联网+,智慧实验室

1什么是工业

“互联网+制造”就是工业4.0。“工业4.0”是德国推出的概念,美国叫“工业互联网”,我国叫“中国制造2025”,这三者本质内容是一致的,都指向一个核心,就是智能制造。工业4.0的特征包括互联、数据、集成、创新和转型。技术支柱包括工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。

2什么是智慧实验室

智慧实验室是指在一个实验室的范围内将多个物品采用计算机网络技术、通信技术以及图形显示技术等将其功能化、网络化和智能化,建立一个由实验室管理中心、信息通信服务以及实验室智能化系统组成的“三合一”智慧实验室集成系统。基于工业4.0的智慧实验室是在现有的实验室基础上,辅以物联网技术和智慧化设备构建起来的,实现了开放共享深入教学需求、即插即用系统极速部署、移动互联打破时空束缚、全面管控舒适高效安全的智慧化实验服务平台。在智慧实验室系统的构建过程中,注重软件管理系统与硬件管理系统的合理配置,教师、学生和管理者全面感知不同的教学资源,获得互动、共享、协作的实验学习和科研工作环境。

3如何构建工业

4.0下的智慧实验室构建工业4.0下的智慧实验室方案包括软件和硬件两大部分。软件技术包括工业物联网、工业大数据、云计算平台、虚拟现实、人工智能等,用以实现实验教学管理系统、实验室预约管理系统、实验室信息管理系统、实验室安全防护系统的构建;硬件技术包括工业机器人、传感器、RFID等,用以实现实验室智能卡RFID、实验室智能门禁终端、实验室摄像头终端、实验室环境监测系统、实验室报警系统、实验室远程控电系统的构建。智慧实验室架构图如图1所示。通过物联网集成实验室内各个智能硬件终端、通信设施等,同时运用云计算等技术构成一个智能网络共享平台。通过这个智能网络平台,使人与人、人与实验设备、实验设备与实验设备、以及实验室开放服务与学生服务之间,能够形成一个互联,从而实现横向、纵向和端到端的高度集成。3.1实验室管理软件系统。实验室软件系统用以实现实验教学管理,教师可进入实验室预约管理系统,科学设置上课时间、上课地点,排课方式灵活,摆脱时间束缚。系统可对教师预约、学生预约、管理员审批等进行科学管理。在实验课进行时间段内,通过实验室门禁对教师和学生进行考勤管理,非上课时间段内,没有预约师生则无法完成考勤与开门动作。同时系统可根据实验课程,完成实验课程管理与实验项目管理。实验课程的学时分配、学分制管理,实验必做项目和选做项目的分配与管理,学生实验后提交实验报告、实验数据等,都通过该系统完成。我校使用的极域电子课堂,对课堂管理包括实时监控、远程命令、学生策略,课堂互动包括分件分发、文件提交等,可方便的完成实验教学的系统管理。实验室信息管理系统主要依托校园网络,以高校实验室建设、实验预约、实验总结、实验通知、实验门禁、实验监控以及设备仪器等构建信息化管理平台。如图2所示。3.2实验室管理硬件系统。实验室管理硬件系统主要用以实现实验室远程控电管理、门禁、安全防护、实验室照明通电、实验台通电、智能光感窗帘、投影仪、摄像头、教师机通电等,都由系统远程智能控制。主要采用了各类传感器、RFID、嵌入式等硬件技术。教师通过刷卡可完成实验室照明、投影仪、教师机的取电,学生刷卡可完成所分配的实验台通电,包括实验设备取电等。实验室环境监测系统用于构建智慧实验室环境,通过采集窗帘上的传感器数据、室内照明光传感器数据,感知环境光照强度,自动调节窗帘的开关与室内光照亮度;通过实时采集室内的温、湿度传感器、PM2.5检测器的数据,自动控制空调等相关设备的运行,以达到节能减排的目的。实验室安全防护系统配套有摄像头终端、烟雾报警传感器等设备,完成智慧实验室内影像的实时采集;智能门禁终端采用目前已经非常成熟的RFID技术和嵌入式系统技术,可对实验室进出人员实施有效控制,避免非法入侵,对非法卡、门磁异常等情况实时上传系统并关闭门锁,具有较好的通信功能和报警功能,可靠性和稳定性极好。

4结语

应用型本科院校电子信息工程专业培养的学生最基本要求就是实践应用能力强,所学课程均配有相当多学时的实验内容,通常情况下,该专业的学生实验、实训类课程学时占总授课学时的50%左右,可见对于高校电子信息类专业的智慧实验室建设亟待解决。而基于工业4.0的电子信息工程专业智慧实验室的构建,可以很好的解决了电子信息工程专业实验室传统人工实验教学管理、实验室资源分配耗时又低效的难题,使高校的实验室管理更为科学化、规范化、人性化,很好的实现了以人为本,这也是工业4.0的重要体现。

参考文献:

[1]杨现民,余胜泉.智慧教育体系架构与关键支撑技术[J].中国电化教育,2015.

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[3]赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计.华北电力大学硕士学位论文,2015.

[4]高永清,商丹.基于ZigBee智慧实验室系统的设计[J].电视技术,2015,39(08).

[5]林燕奎,熊贝贝,等.现代智慧实验室的设计和应用[J].实验室研究与探索,2014,33(06).

[6]周春月,闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索,2014,33(05).

作者:姜波 单位:黑龙江财经学院

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