CN110134633A - 一种理化生实验室智能仪器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种理化生实验室智能仪器设备，具体涉及实验教学设备领域，包括实验室端设备、服务器机房设备、学生实验终端、教师管理终端以及安装于学生实验终端和教师管理终端内的软件系统，所述软件系统包括教学模块和考核模块；所述实验室端设备包括多个实验台以及设置于实验台上的智能仪器和交换机一，所述智能仪器通过智能网关与交换机一连接，所述交换机一输入端连接学生实验终端；所述服务器机房设备包括数据库服务器，所述交换机一输出端通过交换机二连接数据库服务器。本发明通过传感技术、配合无线通信和网络传输与存储实现对传统实验仪器的智能化改造，最终实现一种使用无感的智能仪器设备，用于更好的支持理化生实验教学。

Description

一种理化生实验室智能仪器设备
技术领域
本发明涉及实验教学设备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种理化生实验室智能仪器设备。
背景技术
实验是检验学生对理论知识的掌握水平的一种重要的教学手段。如何提供学生的动手能力和实验素养，为学生提供一个高精度的，数字化的实验器材，是促进实验教学发展的一个重要手段。实验数据的准确性直接关系到实验结论的正确性。
传感器技术经过多年的技术发展，目前已经在各个行业得到广泛应用。在实验教学领域也有对应的产品，可以完成对实验数据的数字化的采集和记录。无线通信技术随着这几年物联网行业的兴起，技术也日趋成熟。在多个行业都有比较成熟的应用场景。但目前的理化生实验室实验教学场景中，所涉及的实验仪器还停留在早起的人工读取数据的阶段，老师无法对学生的实验过程中的数据进行真实再现，虽然现有的实验室传感器设备的出现，解决了一部分数据采集和记录的问题，但在一定程度上改变了学生原有的实验操作习惯和实验操作规范。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种理化生实验室智能仪器设备，通过在原有的理化生实验仪器基础之上，集合传感器技术对实验中设计的物理量进行采集和转换，将其转换成数字信号，并经由每套设备中的智能网关，进行数据的采集和汇总，进而由软件系统将数据进行拟合的处理，一部分用于作为数字化实验仪器功能使用时的数据现实，一部分经由网络上传至远程数据库服务器，以便日后对数据进行查阅和考评之用，传感器的接入采用无感式接入方式，不改变实验原有的使用和操作习惯，用于更好的支持理化生实验教学。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种理化生实验室智能仪器设备，包括实验室端设备、服务器机房设备、学生实验终端、教师管理终端以及安装于学生实验终端和教师管理终端内的软件系统，所述软件系统包括教学模块和考核模块；
所述实验室端设备包括多个实验台以及设置于实验台上的智能仪器和交换机一，所述智能仪器通过智能网关与交换机一连接，所述交换机一输入端连接学生实验终端；
所述服务器机房设备包括数据库服务器，所述交换机一输出端通过交换机二连接数据库服务器，所述交换机二输入端连接教师管理终端，所述教师管理终端输出端与数据库服务器输入端连接，所述数据库服务器用于数据存储、管理与远程调度；
所述教学模块包括数据采集单元、数据解析单元、数据显示单元、数据结果拟合单元和数据标注单元，用于对智能仪器的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解教学；
所述考核模块包括资源层、基础服务层、接口层和全局系统管理模块；
所述全局系统管理模块包括设备配置管理单元、日志管理单元、异常管理单元和安全管理单元，用于软件系统的管理和监控。
在一个优选地实施方式中，所述学生实验终端和教师管理终端均为计算机且安装于实验台上，所述智能仪器具体为植入有传感器的智能仪器，所述传感器通过A/D转换器与计算机连接，所述计算机用于对传感器采集的数据进行处理、显示与上传。
在一个优选地实施方式中，所述智能网关通过无线通信技术中的蓝牙Mesh技术与智能仪器中设置的传感器进行通信。
在一个优选地实施方式中，所述教学模块采用C/S架构，所述教学模块安装于学生实验终端内，用于对智能仪器的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，所述教学模块安装于教师管理终端内，用于显示所有实验台上智能仪器的实验数据信息，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解。
在一个优选地实施方式中，所述考核模块为微服务架构的B/S模式。
在一个优选地实施方式中，所述数据库服务器内部设有多个学生数据库，所述教师管理终端可以通过网络实现对学生数据库内存储信息的远程数据调用和查看，用于对实验数据的考评和统计分析。
在一个优选地实施方式中，所述资源层用于为系统提供资源类服务，具体为缓存服务、Web服务、智能仪器数据库服务和业务数据库服务。
在一个优选地实施方式中，所述基础服务层用于为系统提供分布式基础服务中间件，所述分布式基础服务中间件具体为缓存服务、消息队列服务、计算调度服务、时间同步服务、数据路由服务、日志服务、文件服务和设备管理服务。
在一个优选地实施方式中，所述接口层具体包括内部服务接口、管理接口、开发接口和用户接口，用于提供软件系统与教学模块、考核模块、管理员、开发人员及用户之间交互的接口。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过利用带有技术成熟、精度高传感器的智能仪器进行实验，解决实验数据记录中的人为误差，使得理化生的实验结果与理论知识的结论更为贴合；
2、本发明计算机利用智能网关通过无线通信技术中的蓝牙Mesh技术与智能仪器中植入的传感器进行通信，学生对仪器的操作和使用习惯可以与实验规范要求一致；
3、智能仪器的检测数据经计算机显示处理，可以帮助学生对实验数据进行有效读取和处理，提高理化生实验教学的课堂效率；
4、软件系统接收计算机发送的每个学生的实验数据，并存储在数据库服务器内，数据存储后，可以由软件系统对数据进行有效分析，为实验质量和学生实验情况评价提供数据依据，可以支持理化生实验考核中数据相关的智能评价；
5、学生实验终端的软件系统对智能仪器的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，经学生实验终端显示，学生可以查看数据显示；
6、教师管理终端的软件系统可以显示所有实验台上智能仪器的实验数据信息，支持教学模式下的师生数据互动，可以让老师实时查看每组学生的实验数据动态信息，老师可以根据课程需求，对任意一组学生的实验数据进行查看和管理，教学模块对数据进行网络汇聚与存储，可以对学生的实验过程从数据上进行再现，老师可以分析学生实验数据结论，对学生的实验结果进行有效点评，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解，帮助学生分析实验错误；同时后台将智能仪器的数据上传至数据库服务器，以供后续查看和调用，同时将保存数据对应的学生信息和实验相关信息；
7、本发明支持教学模式和考核模式，教学模式学生可以查看数据显示，考核模式下学生对设备的使用与常规仪器使用一致，设备中的数据将在后台自动上报数据库服务器进行保存。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的整体系统框图。
图3为本发明的软件系统结构框图。
图4为本发明的教学模块结构框图。
图5为本发明的考核模块结构框图。
附图标记为：1实验室端设备、11实验台、12智能仪器、13智能网关、14交换机一、2服务器机房设备、21数据库服务器、22交换机二、3学生实验终端、4教师管理终端、5软件系统、6教学模块、61数据采集单元、62数据解析单元、63数据显示单元、64数据结果拟合单元、65数据标注单元、7考核模块、71资源层、72基础服务层、73接口层、74全局系统管理模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1-3所示的一种理化生实验室智能仪器设备，包括实验室端设备1、服务器机房设备2、学生实验终端3、教师管理终端4以及安装于学生实验终端3和教师管理终端4内的软件系统5；
所述实验室端设备1包括多个实验台11以及设置于实验台11上的智能仪器12和交换机一14，所述智能仪器12通过智能网关13与交换机一14连接，所述交换机一14输入端连接学生实验终端3；
所述智能仪器12具体为植入有传感器的智能仪器12，所述传感器通过A/D转换器与计算机连接，所述计算机用于对传感器采集的数据进行处理、显示与上传；
所述智能网关13通过无线通信技术中的蓝牙Mesh技术与智能仪器12中设置的传感器进行通信；
所述服务器机房设备2包括数据库服务器21，所述交换机一14输出端通过交换机二22连接数据库服务器21，所述交换机二22输入端连接教师管理终端4，所述教师管理终端4输出端与数据库服务器21输入端连接，所述数据库服务器21用于数据存储、管理与远程调度；
所述数据库服务器21内部设有多个学生数据库，所述教师管理终端4可以通过网络实现对学生数据库内存储信息的远程数据调用和查看，用于对实验数据的考评和统计分析；
实施方式具体为：实验室端设备1可以根据实验室的需求进行部署，实验室中以实验台11为单位部署设备，其中每个实验台11上部署一台计算机，每个计算机连接一个智能网关13，用于对智能仪器12内传感器检测的数据进行收集，然后经A/D转换器进行模数转换，将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，然后再进行数据的处理、显示以及上传至数据库服务器21进行数据存储，实现学生做实验过程中实验数据的精准检测和记录，解决了实验数据记录中的人为误差，使得理化生的实验结果与理论知识的结论更为贴合；
数据经计算机发送给服务器机房设备2，并通过网络上传至数据库服务器21中，此时数据库服务器21可以按照学生的信息分成多个学生数据库，用于将每个学生的实验数据进行分类存储，此时学生实验终端3和教师管理终端4可以通过网络实现远程的数据调用和查看，并且可以被应用于对实验数据的考评和统计分析。
如图3-4所示，所述软件系统5包括教学模块6和考核模块7，支持教学模式和考核模式；
所述教学模块6包括数据采集单元61、数据解析单元62、数据显示单元63、数据结果拟合单元64和数据标注单元65，用于对智能仪器12的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解教学；
所述教学模块6采用C/S架构，所述教学模块6安装于学生实验终端3内，用于对智能仪器12的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，所述教学模块6安装于教师管理终端4内，用于显示所有实验台11上智能仪器12的实验数据信息，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解；
实施方式具体为：软件系统5接收计算机发送的每个学生的实验数据，并存储在数据库服务器21内，数据存储后，可以由软件系统5对数据进行有效分析，为实验质量和学生实验情况评价提供数据依据，可以支持理化生实验考核中数据相关的智能评价；
教学模式下，采用C/S架构，每个学生实验终端3和教师管理终端4安装软件，学生实验终端3的软件系统5对智能仪器12的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，经学生实验终端3显示，学生可以查看数据显示；
智能仪器12的检测数据经计算机显示处理，可以帮助学生对实验数据进行有效读取和处理，提高理化生实验教学的课堂效率；
教师管理终端4的软件系统5可以显示所有实验台11上智能仪器12的实验数据信息，支持教学模式下的师生数据互动，可以让老师实时查看每组学生的实验数据动态信息，老师可以根据课程需求，对任意一组学生的实验数据进行查看和管理，教学模块6对数据进行网络汇聚与存储，可以对学生的实验过程从数据上进行再现，老师可以分析学生实验数据结论，对学生的实验结果进行有效点评，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解，帮助学生分析实验错误；同时后台将智能仪器12的数据上传至数据库服务器21，以供后续查看和调用，同时将保存数据对应的学生信息和实验相关信息。
如图5所示，所述考核模块7包括资源层71、基础服务层72、接口层73和全局系统管理模块74；
所述考核模块7为微服务架构的B/S模式；
所述资源层71用于为系统提供资源类服务，具体为缓存服务、Web服务、智能仪器数据库服务和业务数据库服务；
所述基础服务层72用于为系统提供分布式基础服务中间件，所述分布式基础服务中间件具体为缓存服务、消息队列服务、计算调度服务、时间同步服务、数据路由服务、日志服务、文件服务和设备管理服务；
所述接口层73具体包括内部服务接口、管理接口、开发接口和用户接口，用于提供软件系统5与教学模块6、考核模块7、管理员、开发人员及用户之间交互的接口；
所述全局系统管理模块74包括设备配置管理单元、日志管理单元、异常管理单元和安全管理单元，用于软件系统5的管理和监控。
实施方式具体为：考核模式下，采用微服务架构的B/S模式，学生实验终端3的软件系统5不具备显示和数据处理终端，学生可以无法对教师管理终端4的软件系统5进行开启，此时学生对仪器的使用操作与传统仪器设备一样，不改变学生实验操作规范，学生实验数据经由学生实验终端3处理、汇聚经由网络上传至数据库服务器21进行长久保存，同时将保存数据对应的考生信息和考卷相关信息，同时实时推送至教师管理终端4进行显示，数据存储后可用于后续调用和评分系统需求。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：包括实验室端设备（1）、服务器机房设备（2）、学生实验终端（3）、教师管理终端（4）以及安装于学生实验终端（3）和教师管理终端（4）内的软件系统（5），所述软件系统（5）包括教学模块（6）和考核模块（7）；
所述实验室端设备（1）包括多个实验台（11）以及设置于实验台（11）上的智能仪器（12）和交换机一（14），所述智能仪器（12）通过智能网关（13）与交换机一（14）连接，所述交换机一（14）输入端连接学生实验终端（3）；
所述服务器机房设备（2）包括数据库服务器（21），所述交换机一（14）输出端通过交换机二（22）连接数据库服务器（21），所述交换机二（22）输入端连接教师管理终端（4），所述教师管理终端（4）输出端与数据库服务器（21）输入端连接，所述数据库服务器（21）用于数据存储、管理与远程调度；
所述教学模块（6）包括数据采集单元（61）、数据解析单元（62）、数据显示单元（63）、数据结果拟合单元（64）和数据标注单元（65），用于对智能仪器（12）的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解教学；
所述考核模块（7）包括资源层（71）、基础服务层（72）、接口层（73）和全局系统管理模块（74）；
所述全局系统管理模块（74）包括设备配置管理单元、日志管理单元、异常管理单元和安全管理单元，用于软件系统（5）的管理和监控。
2.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述学生实验终端（3）和教师管理终端（4）均为计算机且安装于实验台（11）上，所述智能仪器（12）具体为植入有传感器的智能仪器（12），所述传感器通过A/D转换器与计算机连接，所述计算机用于对传感器采集的数据进行处理、显示与上传。
3.根据权利要求2所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述智能网关（13）通过无线通信技术中的蓝牙Mesh技术与智能仪器（12）中设置的传感器进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述教学模块（6）采用C/S架构，所述教学模块（6）安装于学生实验终端（3）内，用于对智能仪器（12）的数据进行采集、解析、显示和结果拟合，所述教学模块（6）安装于教师管理终端（4）内，用于显示所有实验台（11）上智能仪器（12）的实验数据信息，并可对数据进行标注，进行课堂即时讲解。
5.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述考核模块（7）为微服务架构的B/S模式。
6.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述数据库服务器（21）内部设有多个学生数据库，所述教师管理终端（4）可以通过网络实现对学生数据库内存储信息的远程数据调用和查看，用于对实验数据的考评和统计分析。
7.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述资源层（71）用于为系统提供资源类服务，具体为缓存服务、Web服务、智能仪器数据库服务和业务数据库服务。
8.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述基础服务层（72）用于为系统提供分布式基础服务中间件，所述分布式基础服务中间件具体为缓存服务、消息队列服务、计算调度服务、时间同步服务、数据路由服务、日志服务、文件服务和设备管理服务。
9.根据权利要求1所述的一种理化生实验室智能仪器设备，其特征在于：所述接口层（73）具体包括内部服务接口、管理接口、开发接口和用户接口，用于提供软件系统（5）与教学模块（6）、考核模块（7）、管理员、开发人员及用户之间交互的接口。
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