開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 承

重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331

高等學(xué)校的教學(xué)目的是通過(guò)各種教學(xué)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)人才的培養(yǎng)，除了課堂教學(xué)的基本理論知識(shí)外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生獲得知識(shí)、提高自身技能水平的重要途徑。而我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式是按照滿(mǎn)足課程實(shí)驗(yàn)要求來(lái)建立的，其管理模式更是以分散型的傳統(tǒng)人工管理模式為主。但隨著我國(guó)高等職業(yè)教育的迅猛發(fā)展，各高校在校生人數(shù)迅速增加，這種模式呈現(xiàn)出很多不足和弊端，多表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模小，功能單一，有效利用率低。實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足教學(xué)要求，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展，進(jìn)而影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。如何解決實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足問(wèn)題，是目前各高校首先面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)則不失為解決這一問(wèn)題的有效途徑。

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是合理有效利用實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室高效管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化、規(guī)范化、自動(dòng)化的多功能管理平臺(tái)。該管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)比較具有以下特點(diǎn)：1）開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)行網(wǎng)上預(yù)約、電子簽到、身份識(shí)別、成績(jī)自動(dòng)評(píng)定、數(shù)據(jù)庫(kù)信息管理等，將實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范化、計(jì)劃化，并能隨時(shí)根據(jù)要求產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計(jì)，有利于實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃；2）采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，實(shí)驗(yàn)室人員可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用情況和實(shí)驗(yàn)者的操作情況進(jìn)行設(shè)備控制管理；3）在開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理下，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)是以學(xué)生為中心的自我學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)完成提交發(fā)布在網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告獲得能進(jìn)行某種級(jí)別實(shí)驗(yàn)的權(quán)限，通過(guò)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)約，并在規(guī)定的預(yù)約時(shí)間內(nèi)去實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率。

1 總體結(jié)構(gòu)

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用B/S模式的多層架構(gòu)，主要分為：實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的若干工作臺(tái)，中間轉(zhuǎn)發(fā)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的大型服務(wù)器、交換機(jī)，以及用戶(hù)端。用戶(hù)端與服務(wù)器通過(guò)Internet連接，服務(wù)器與各工作臺(tái)可由局域網(wǎng)進(jìn)行連接。

工作臺(tái)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集電路板和連接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的PC機(jī)組成。它主要完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，與服務(wù)器和交換機(jī)進(jìn)行通信連接，接收指令和傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定。服務(wù)器和交換機(jī)負(fù)責(zé)與工作臺(tái)的指令和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸（包括圖像、聲音、應(yīng)用程序以及視頻），并將所有信息和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成實(shí)驗(yàn)者身份識(shí)別、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)信息和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控和管理。用戶(hù)端可通過(guò)Internet網(wǎng)下載實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)課件，提交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，進(jìn)行網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)約，查詢(xún)個(gè)人預(yù)約情況。并根據(jù)獲得權(quán)限查詢(xún)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)成績(jī)等相關(guān)信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理操作。

2 實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)基于Internet網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，管理人員可以不受地域的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。該系統(tǒng)包括信息管理模塊、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃管理模塊、實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理模塊、身份識(shí)別和實(shí)驗(yàn)簽到管理模塊、實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控和管理模塊。教學(xué)管理人員可以通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織和教學(xué)運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2.1 信息管理

信息管理主要負(fù)責(zé)權(quán)限分配、全校學(xué)生信息、教師信息、實(shí)驗(yàn)室信息、實(shí)驗(yàn)課程信息、院系信息、專(zhuān)業(yè)信息、系統(tǒng)工作人員信息等數(shù)據(jù)維護(hù)，以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整等。實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生檔案、教師檔案、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、設(shè)備檔案、供應(yīng)商檔案等信息查詢(xún)和維護(hù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃管理

實(shí)驗(yàn)計(jì)劃管理包括教學(xué)計(jì)劃，課程安排管理。教師可通過(guò)自己的身份登錄到實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行各自教學(xué)計(jì)劃的編制及其它的相關(guān)職務(wù)的管理工作，完成實(shí)驗(yàn)課程安排和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置。

2.3 實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理

網(wǎng)上預(yù)約管理主體的設(shè)計(jì)思路是實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行宏觀(guān)調(diào)控，合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及輔導(dǎo)教師。學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況，輸入學(xué)號(hào)和個(gè)人密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約、查詢(xún)個(gè)人預(yù)約情況以及下載課件等操作。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間內(nèi)自行選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)管理人員能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)約情況，安排必要的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)預(yù)約包括自動(dòng)預(yù)約、指定預(yù)約和預(yù)約查詢(xún)。

2.4 身份識(shí)別和實(shí)驗(yàn)簽到管理

身份識(shí)別系統(tǒng)是電子電路實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分，它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的開(kāi)放性管理。身份識(shí)別系統(tǒng)安裝在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出口處，系統(tǒng)包含服務(wù)器、門(mén)禁器、刷卡機(jī)、電源控制器、攝像機(jī)及管理軟件等。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)首先要刷卡進(jìn)行身份驗(yàn)證，若為合法用戶(hù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配實(shí)驗(yàn)臺(tái)并為用戶(hù)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，記錄、時(shí)間等相應(yīng)信息。一旦實(shí)現(xiàn)簽到后，立即將學(xué)生信息數(shù)據(jù)傳送到學(xué)生機(jī)，并同時(shí)實(shí)施對(duì)學(xué)生機(jī)與工作臺(tái)的管理和控制。

2.5 實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控和管理

實(shí)驗(yàn)室視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用高性能的數(shù)字采集壓縮技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的“模擬”方式的監(jiān)控系統(tǒng)所需的大量監(jiān)視器、錄像機(jī)、圖像分割器、解碼器、視頻切換器及矩陣系統(tǒng)等設(shè)備。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)，使得圖像質(zhì)量更高，更易于保存，特別是通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)還可以將圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)具有自動(dòng)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)關(guān)機(jī)、自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)布防、監(jiān)控時(shí)間表、錄像時(shí)間表、分通道布防時(shí)間表等功能，真正作到無(wú)人職守。

3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)基于Windows98/2000/XP平臺(tái)，后臺(tái)采用Microsoft Sql Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)包含的功能有：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)管理和監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成、實(shí)驗(yàn)成績(jī)自動(dòng)評(píng)分、網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障/異常時(shí)自動(dòng)脫網(wǎng)運(yùn)行等。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1 數(shù)據(jù)采集電路板功能框圖

網(wǎng)絡(luò)型開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)本身所需的硬件設(shè)備搭建完成后，還需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集電路板，該電路板的位置在每一臺(tái)學(xué)生機(jī)前端，其作用是將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集變換后匯總到相應(yīng)的計(jì)算機(jī)中，使得硬件設(shè)備能夠與計(jì)算機(jī)相連，并通過(guò)學(xué)生機(jī)連接到教師機(jī)、服務(wù)器上。數(shù)據(jù)采集電路板功能框圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集電路板的工作過(guò)程是：1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出各種信息對(duì)應(yīng)的電壓模擬量；2）單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器控制，進(jìn)行模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)讀取相應(yīng)的數(shù)字信息；3）在單片機(jī)的控制下，把采集到的數(shù)字信息按照信息類(lèi)型的不同分別存儲(chǔ)到不同偏移量的存儲(chǔ)單元內(nèi)，以便用戶(hù)隨時(shí)查詢(xún)；4）單片機(jī)串口輸出經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換后，與計(jì)算機(jī)的串口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交付。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理和監(jiān)控

系統(tǒng)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)監(jiān)視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)故障及報(bào)警、實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)學(xué)生作實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師和實(shí)驗(yàn)管理人員可監(jiān)控每一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及與學(xué)生實(shí)驗(yàn)相關(guān)的信息和操作信息等。

教師可通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備控制。根據(jù)實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)判斷各實(shí)驗(yàn)臺(tái)是否正常，一旦有非法情況，教師可通告到指定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)學(xué)生，在學(xué)生機(jī)的顯示器上顯示，對(duì)于嚴(yán)重的故障也可通過(guò)“設(shè)備管理”功能切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源系統(tǒng)，禁止學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若出現(xiàn)設(shè)備損壞，教師機(jī)可立即通過(guò)查詢(xún)及時(shí)通知實(shí)驗(yàn)學(xué)生變換到重新分配的機(jī)位上，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也應(yīng)通過(guò)教師機(jī)重新發(fā)送到新分配的機(jī)位上去，以保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)順利完成。

3.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理及考評(píng)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中比較復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生學(xué)生在編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告有抄襲的現(xiàn)象，老師無(wú)法真實(shí)考核。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也比較繁瑣，實(shí)驗(yàn)報(bào)告存檔管理的工作量大，查找一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要花費(fèi)很大的精力，并且更大工作量是教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱。學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)最大特色是實(shí)驗(yàn)報(bào)告能夠與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)中所有直接測(cè)量數(shù)據(jù)具有自動(dòng)填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告功能，解決了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核問(wèn)題，避免了實(shí)驗(yàn)報(bào)告互相抄襲的現(xiàn)象。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀表實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與正確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)在線(xiàn)實(shí)時(shí)判分，包括對(duì)示波器波形也能夠自動(dòng)采集到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判分，并將分?jǐn)?shù)反饋給學(xué)生，同時(shí)將考生的成績(jī)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。整個(gè)判分過(guò)程都不需要教師的干預(yù)完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的判分，最大程度上減輕了教師的工作量，并且系統(tǒng)把每次學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)WEB方式可以非常方便的查詢(xún)。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)為解決實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足及實(shí)驗(yàn)室管理等問(wèn)題提供了重要途徑。實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)自身?yè)碛袠O大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)未來(lái)的教育和科研工作的方式有著極大的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將有極大的促進(jìn)作用。

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