新型電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)探究

王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學 電工電子技術基礎教學實驗中心，重慶 400044)

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新型電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)探究

王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學 電工電子技術基礎教學實驗中心，重慶 400044)

針對目前高校電工電子開放實驗室“純人工”或“半人工”式的管理下存在的各種安全隱患難以消除的問題，提出了一種“軟件智能化、硬件易實施、管理遠程化、自助一體化、極高安全性”的新型電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進的無線AP技術、電力載波技術、動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)站建設技術以及移動互聯(lián)網(wǎng)交互技術，集遠程視頻監(jiān)控、遠程音頻監(jiān)控、遠程語音提示、智能門禁管理、智能桌面電源管理以及自助式網(wǎng)絡平臺于一體，滿足了開放實驗室無人現(xiàn)場值守情況下的各種運行需求，實驗室中心開放運用中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放實驗室利用率達到了80%以上，為高校電工電子開放實驗室的安全、高效運行提供了有力的保障。

實驗室管理； 智能管理； 門禁系統(tǒng)； 視頻監(jiān)控系統(tǒng)； 智能電源管理

0 引 言

在推行自主創(chuàng)新型社會的大環(huán)境下，高校開放實驗室無疑是培養(yǎng)高等創(chuàng)新型人才的主要陣地[1]。一個現(xiàn)代化的工科類實驗室不僅是驗證經(jīng)典理論的教室，更是一個對知識進行創(chuàng)新性研究的平臺。因此，推進高校電工電子開放實驗室的高效、安全運行是促進學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑[2]。

1 研究現(xiàn)狀

目前，我國高校的開放實驗室基本上都還處于“教師+學生”式的純人工管理或者是“教師+學生+計算機”式的半人工管理階段[3]，該管理方法費時費力且效率低下，學生到實驗室組織實驗的流程較為復雜，從而導致學生自主實驗的積極性不高，開放實驗室的設置幾乎成為擺設。實驗室開放的內涵很豐富，但其最基本和最重要的體現(xiàn)是學生能自主進入實驗室、機房等場所，進行獨立的、合作的學習和研究活動，而不受限于管理人員的陪伴和僵化的作息時間表。但是，傳統(tǒng)的管理辦法難以為其提供保障[4]。

針對此問題，目前國內有不少高校開展對開放性實驗室管理優(yōu)化的研究。貴州大學的基于STC89C54單片機、ZLG240128F觸摸液晶屏的實驗室人員出入門禁管理和實驗室預約開放系統(tǒng)[5]；西南科技大學的基于網(wǎng)絡的RFID門禁管理系統(tǒng)[6]；五邑大學的基于射頻識別技術和無線傳感器網(wǎng)絡技術的無線門禁系統(tǒng)與智能電源管理系統(tǒng)等[7]，實踐證明這些平臺的構建提高了實驗資源利用率、減少管理人員的工作量。但是，這些優(yōu)化方案都沒有實質性、系統(tǒng)性地解決開放性實驗室的管理難題。例如，未涉及到智能預約、智能門禁、遠程視頻音頻監(jiān)控管理、遠程答疑、智能手持設備操作、網(wǎng)站自助輔導、設備材料出入庫管理等適應現(xiàn)代化開放性實驗室的需求。從安全、便捷、人性化的角度出發(fā)，一套新型的、完善的針對開放性實驗室管理自動化的控制系統(tǒng)亟待開發(fā)。

2 整體方案

針對當前電工電子開放實驗室在“教師+學生”式的純人工管理或者是“教師+學生+計算機”式的半人工管理中所暴露出的問題，提出了一種綜合全面的新型智能化管理系統(tǒng)設計方案。圖1為電工電子智能化開放實驗室布置圖，其中包括出入門禁、備用緊急通道、講臺、實驗臺、焊接臺、答疑桌、材料柜、設備柜、暫存柜、視頻音頻監(jiān)控設備以及智能桌面電源。新型電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)的主要功能如下：預約進出入實驗室、預約指定實驗臺電源開斷、預約自取實驗設備和材料、自助網(wǎng)上答疑、自助暫存取作品、遠程視頻音頻監(jiān)控、遠程開關門、遠程開關電源、遠程語音對講。

圖1 電工電子智能化開放實驗室布置圖

2.1 視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)

開放實驗室的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)是其整個管理系統(tǒng)中非常重要的一個子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控的作用主要用于實驗室消防安全、學生活動內容、學生人身安全、設備儀器出入、防盜竊監(jiān)督[8]。

(1) 實驗室消防安全監(jiān)督。由于電工電子開放實驗室屬于電類專業(yè)實驗室，涉及到大功率儀器設備的使用，存在一定的用電安全隱患。管理員通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并通過遠程喊話方式制止相關的存在消防安全隱患的不當操作行為，或者是通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了正在發(fā)生的消防安全事故，管理員可以及時通知相關部門和人員及時到場救災。

(2) 學生活動內容監(jiān)督。電工電子開放實驗室主要是為相關專業(yè)的學生提供動手實驗電工電子技術知識的場所，其中包括所需的儀器、設備和材料。為確保學生在實驗室內進行電工電子實驗相關的活動，對于占用資源進行其他非相關活動的學生需要通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)進行排查和勸離，以保證實驗室資源的有效利用。

(3) 學生人身安全監(jiān)督。由于電工電子開放實驗室屬于電類專業(yè)實驗室，涉及到用電安全和消防安全，對現(xiàn)場操作的學生的人身安全存在一定的安全隱患。管理員可以通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)和制止現(xiàn)場學生的不當操作，以確保其人身安全。

(4) 設備儀器出入監(jiān)督。電工電子實驗室的儀器設備出入管理是一項非常費時費力的工作。由于電工電子實驗室儀器設備種類繁多、數(shù)量巨大、借用人員復雜、借用期限上限較長等因素。管理員可以通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)隨時點查實驗室內儀器設備的類型和數(shù)量，如果發(fā)現(xiàn)儀器設備的丟失也可以借助回放功能追蹤丟失的儀器設備的軌跡動向。

(5) 防盜竊監(jiān)督。由于開放實驗室屬于無人現(xiàn)場值守區(qū)域，實驗室內部的貴重儀器常常成為不法分子的覬覦之物。通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控和回放實驗室內、實驗室外走廊以及實驗大樓出入口視頻、音頻監(jiān)控情況，為追蹤不發(fā)盜竊份子提供了有力的線索和證據(jù)[9]。

傳統(tǒng)的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是采用的有線連接方式實現(xiàn)終端監(jiān)控設備與集中控制平臺的連接，施工和后期的擴展和維護時需要大量依賴施工單位。隨著安防領域科學技術的不斷進步，我們設計了一種簡潔、方便的視頻音頻集中監(jiān)控安裝方法，其網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。該方法免去了繁瑣的布線工作，實驗室老師可以自己動手完成安裝、維護以及擴展工作，十分便捷。

圖2 開放實驗室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

傳統(tǒng)的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用的是專人值守總控室的方法，該方法僅節(jié)約了值班人手，但是值班人員必須固定在一個地點進行監(jiān)控工作，特別是對于開放性實驗室，寒暑假恰恰是學生自主實驗的高峰期，管理員、教師輪班在本地總控室值守難以保證，所以亟待一種更加便捷的值班方式應用到開放實驗室監(jiān)控。為此，我們設計了一種基于流媒體的校園網(wǎng)內家庭PC端、手持移動端通過公網(wǎng)都可以進行實時預覽、歷史回放、現(xiàn)場監(jiān)聽、遠程喊話的智能監(jiān)控平臺，圖3、圖4分別為開放實驗室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)手機端、PC端實時監(jiān)控畫面。這種方式大大提高了高校開放實驗室管理的靈活性[10]。

圖3 開放實驗室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)手機端實時監(jiān)控畫面

2.2 可預約式自助門禁系統(tǒng)

高校開放性實驗室具有人員流動性強、時間分配靈活等特點，傳統(tǒng)的門禁權限發(fā)放方式已經(jīng)不適用。所以，根據(jù)高校開放性實驗室的特點設計了一種可預約式的自助門禁權限發(fā)放系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點：①結

圖4 開放實驗室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)PC端實時監(jiān)控畫面

合開放實驗室網(wǎng)上自助預約的審核結果自動下發(fā)給相關學生在相對應時間段的進出門權限；②現(xiàn)場提前提示預約時間到期顯示，提醒學生離開教室；③在相應實驗臺預約操作時間不沖突的情況下可允許學生通過網(wǎng)上延時申請給予相應進出門權限時間段的補充；④對于離預約時限不足20 min且相應預約學生全部離開實驗室的，系統(tǒng)自動發(fā)送短信通知返回；⑤可查詢歷史出入門記錄；⑥采用了UPS作為備用電源以適應意外情況下的門禁系統(tǒng)的正常運行。

2.3 智能桌面電源控制系統(tǒng)

高校實驗室的用電安全一直是學校安全管理工作的重點。特別是高校開放性實驗室，用電安全問題不容忽視。用電安全事故一般包括電器火災、人員電傷、設備損壞等，這些事故在高校實驗室的運行中都是不允許發(fā)生的。那么，急需一套完善的桌面電源管理系統(tǒng)來代替值班老師完成這一項艱巨的任務。如圖5所示。基于電力載波技術的桌面電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構主要是采用電力載波芯片QCA6410[12]，在單個實驗室區(qū)域(電力載波要求必須在一個回路中)設置一臺電力載波主機，為每個實驗臺的電源插線板植入電力載波芯片，可以通過現(xiàn)有的電力線實現(xiàn)平臺服務器對指定實驗桌桌面電源的管理[13]。

圖5 基于電力載波技術的桌面電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

與可預約式自助門禁系統(tǒng)相似，其電源開斷的指令是根據(jù)綜合管理平臺的預約審核情況所定，當系統(tǒng)檢測到有學生刷卡進入后會自動下發(fā)開啟指令給該組學生所預約的相應實驗桌電源，當系統(tǒng)檢測到學生刷卡離開實驗室且確定其結束實驗后，系統(tǒng)將自動下發(fā)關閉指令給相應實驗桌電源，以有效控制用電安全事故的發(fā)生。

2.4 綜合管理平臺

綜合管理平臺是實現(xiàn)電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：學生預約(包括實驗桌預約、設備預約、材料預約)、教師審核、網(wǎng)上自主答疑(包括教師網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上實驗視頻演示)、門禁管理、桌面電源管理、遠程視頻音頻監(jiān)控管理、現(xiàn)場語音提示等。其實質上是一個具有強交互性的實驗室網(wǎng)站平臺[14]。綜合管理平臺功能樹圖見圖6。

圖6 綜合管理平臺功能樹圖

針對其開發(fā)特點，選用了“Visual Basic.NET+SQL Server”的開發(fā)工具。在該平臺的設計上，考慮到了各種常見工況的發(fā)生，例如外力所致的門禁常開、預約時間將至但實驗未完成、實驗未結束但學生長時間離場等，都設置了相應的處理措施。

3 結 語

高校電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)是一種新

型電工電子開放實驗室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒了國內外其他高校的開放性實驗室智能管理系統(tǒng)的技術，并結合了自身在開放實驗室管理中遇到的種種問題，在多個環(huán)節(jié)上進行了創(chuàng)新性的設計以及完善補充?？紤]到施工成本以及維護成本，采用基本無需布線的無線AP技術以及電力載波技術，節(jié)約了大量的人力、物力和財力。在電工電子技術基礎教學實驗中心開放實驗室的試運行中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放性實驗室利用率達到了80%以上。不足的一點是由于綜合管理平臺的功能復雜，目前只完成了簡單的預約、門禁、視頻音頻模塊的功能，在后期的設計中再做具體研究。

[1] 張彩紅,張強哲. 開放實驗室創(chuàng)新發(fā)展模式初探[J]. 實驗室研究與探索,2012(10):168-170.

[2] 馮 斌,劉新宇,鄭小林,等. 科技創(chuàng)新能力培育與研究生開放實驗室的構建[J]. 研究生教育研究,2011(4):6-9,57.

[3] 葉建元. 基于Web的實驗室信息管理系統(tǒng)的研究與設計[D]. 成都: 電子科技大學,2013.

[4] 關昱航. 實驗室綜合管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 長春: 吉林大學,2015.

[5] 張盛耀,段渝龍. 基于單片機的開放實驗室管理系統(tǒng)設計[J]. 中國新通信,2013(19):127-128.

[6] 李郁峰,高小明. 基于網(wǎng)絡的低成本實驗室門禁管理系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索,2010(6):169-171,194.

[7] 周開利,劉江豪,黎 娟. 開放實驗室無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座設計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術,2014(6):34-37.

[8] 湯志軍. 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高校實驗室的應用研究[J]. 信息系統(tǒng)工程,2012(12):92-93,88.

[9] 林 鵬. 基于流媒體實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索,2007(2):21-22,86.

[10] 張萬良. 基于RFID技術的實驗室門禁系統(tǒng)設計[J]. 電子測試,2013(22):16-17,20.

[11] 陳廷輝,蔡志遠. 采用電力載波模塊對控制與保護開關的遠程控制方案[J]. 低壓電器,2010(23):33-36.

[12] 高 偉. 基于電力載波技術的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)研制[D]. 杭州: 浙江大學,2012.

[13] 蔡春梅. 基于.NET的高校實驗室管理系統(tǒng)的研究與設計[J]. 無線互聯(lián)科技,2013(1):70.

[14] 陳澤恩. 基于.NET的實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 成都: 電子科技大學,2013.

Research of New Type of Intelligent Management System for Electrical and Electronic Laboratory

WANGWei,YANGHao,ZHAOYi-zhou

(Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Mainly for the problem that various hidden dangers for safety are difficult to be eliminated under the pure artificial or semi-artificial management methods in electrical and electronic opening-laboratory in universities, a new type of intelligence management system has been invented. The system has intelligent software, simplistic hard, long-distanced management, incorporates self-service and high security. The system satisfies various operation requirements of the scene that no administrator in opening-laboratory because it sets the advanced wireless AP technology, electric power carrier, dynamic database technology, website construction technology and mobile Internet interactive technology. And the system’s application effect is obvious in opening laboratories of Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center of Chongqing University. Especially, during the winter and summer vacations, the open laboratory utilization rate reaches more than 80%.

laboratory management; intelligent management; entrance guard system; video monitoring system; intelligent power management

2015-11-15

王 唯(1989-)，男，湖北遠安人，碩士，助理實驗師，研究方向：實驗室管理自動化、實驗教學輔助設計。

Tel.：13983138855；E-mail:cqu_ww@126.com

TN 710；G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0273-04