基于智慧校園的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)研究

摘 要：高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)室的管理一直是一個(gè)亟待解決的難題。隨著智慧校園在高校中的普及，實(shí)驗(yàn)室也可以依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)進(jìn)行信息化管理。文章描述了一種基于單片機(jī)和混合通信模塊的實(shí)驗(yàn)室管理終端設(shè)計(jì)，該終端不僅可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)教師、學(xué)生和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理，同時(shí)還可以通過無線模塊進(jìn)行作業(yè)的分發(fā)和收集。由于該裝置集成了定位模塊和獨(dú)立電源模塊，可對(duì)該裝置進(jìn)行重復(fù)利用。

關(guān)鍵詞：高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)室；智慧校園；信息化管理

基金項(xiàng)目：2016年安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)研究項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：多場(chǎng)景Vanet廣播路由研究；項(xiàng)目編號(hào)：2016zdzr10。

作者簡介：張靜（1984— ），女，安徽蕪湖，本科，助理實(shí)驗(yàn)師；研究方向：高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的普及與應(yīng)用，傳統(tǒng)的教育管理已不能適應(yīng)于當(dāng)前的形勢(shì)。傳統(tǒng)的以網(wǎng)絡(luò)覆蓋為標(biāo)志的數(shù)字校園逐步向依托于物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)的智慧校園發(fā)展。智慧校園的內(nèi)涵包括具有環(huán)境全面感知、網(wǎng)絡(luò)無縫互通、海量數(shù)據(jù)支撐、開放學(xué)習(xí)環(huán)境和師生個(gè)性服務(wù)等5個(gè)方面的特征[1-2]。傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室管理模式已不能適應(yīng)于當(dāng)前的形勢(shì)，如何將其融入智慧校園的建設(shè)，需要基于智慧校園平臺(tái)設(shè)計(jì)出相關(guān)的裝置。

1 實(shí)驗(yàn)室管理終端設(shè)計(jì)

由于高校前期均建立了相關(guān)無線基礎(chǔ)設(shè)施，幾乎在校園內(nèi)學(xué)生都可以享受到高帶寬的數(shù)據(jù)接入，基于智慧校園的實(shí)驗(yàn)室管理裝置主要有以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)。（1）門禁、電源控制模塊。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制實(shí)訓(xùn)室相關(guān)門禁系統(tǒng)，使得實(shí)訓(xùn)室在規(guī)定的時(shí)間能夠開門和打開實(shí)訓(xùn)室電源裝置。（2）終端控制模塊包括：單片機(jī)主控模塊、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、實(shí)驗(yàn)室人數(shù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)模塊（藍(lán)牙統(tǒng)計(jì)）、課程資源分發(fā)收集模塊等。單片機(jī)主控模塊控制各模塊的工作，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊使用ZigBee技術(shù)、WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)來傳輸各類信息。課程資源分發(fā)收集模塊主要是用來驗(yàn)證課表中的課程，同時(shí)來分發(fā)和收集相關(guān)課程作業(yè)信息。實(shí)驗(yàn)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊是使用藍(lán)牙通信方式實(shí)時(shí)收集所在區(qū)域的學(xué)生和教師信息。（3）設(shè)備裝置的可重用性和可擴(kuò)展性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室需要改建或者重建，該裝置可以做到“即插即用”。由于有定位裝置和電源裝置，只需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，就可以用于教室和體育館等其他實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所。下文將具體介紹這幾種設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.1 裝置無線通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無線通信模塊是該裝置的核心部分，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和部分協(xié)同工作，由于校園網(wǎng)內(nèi)均有WiFi信號(hào)覆蓋，可以使用無線WiFi進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸和校時(shí)工作，裝置通信模塊框如圖1所示。各網(wǎng)絡(luò)通信模塊均連接至主控模塊MCU，同時(shí)均有相關(guān)外置天線，用于信號(hào)的發(fā)射。無線WiFi[3]模塊使用超低功耗的串口WiFi模塊USR-C215，能夠?qū)崿F(xiàn)TTL串口與WiFi的雙向透明傳輸，波特率為1 200～460.8 kbps。主要用于裝置系統(tǒng)與服務(wù)器之間的校時(shí)工作、上傳學(xué)生作業(yè)至服務(wù)器、下載并分發(fā)教師作業(yè)，同時(shí)可以定期的上傳日志工作。ZigBee模塊[4]主要是負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的門禁系統(tǒng)，在上課時(shí)候把門開啟，同時(shí)在無人的時(shí)候（通過紅外感應(yīng)）將門關(guān)閉。GPS定位模塊[5-6]主要使用MT6261D芯片實(shí)現(xiàn)裝置的定位，它為服務(wù)器的管理提供依據(jù)，同時(shí)為后期裝置的重用提供保障。無線藍(lán)牙模塊使用低功耗藍(lán)牙無線芯片NRF51822連接MCU，主要用于學(xué)生和教師的考勤工作，由于教師和學(xué)生手機(jī)均有藍(lán)牙功能，裝置通過不定期地發(fā)送考勤請(qǐng)求來完成考勤工作。由于藍(lán)牙的傳輸距離受限，這種方式既完成了考勤的目的，也不會(huì)干擾到其他實(shí)訓(xùn)室的考勤工作。

1.2 裝置硬件結(jié)構(gòu)和主要功能

該裝置主要安裝在實(shí)訓(xùn)室的門上，可以使用掛壁式的或嵌入式的。在設(shè)計(jì)過程中，主要考慮到裝置的供電問題，可以通過交流電進(jìn)行供電，也可以使用相關(guān)的蓄電池對(duì)裝置供電，該裝置的主要結(jié)構(gòu)框如圖2所示。裝置通過無線傳輸模塊和天線模塊與服務(wù)器進(jìn)行通信，獲取服務(wù)器上準(zhǔn)確的時(shí)間信息并定時(shí)更新。在每日的6：00，裝置定時(shí)同服務(wù)器進(jìn)行通信，下載本實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室今天所有的課程信息和相關(guān)資料信息，并將其存到FLASH存儲(chǔ)模塊中。上課前20分鐘，ZigBee模塊會(huì)自動(dòng)打開門禁系統(tǒng)，并在LCD顯示器上顯示課程相關(guān)信息和教師相關(guān)信息，學(xué)生可以進(jìn)入實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所。上課時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)將教師本次課程的相關(guān)資料和作業(yè)文件通過WiFi或者實(shí)訓(xùn)室局域網(wǎng)傳送至學(xué)生的客戶機(jī)上，供學(xué)生完成。當(dāng)課程結(jié)束后，裝置通過紅外感應(yīng)模塊判斷實(shí)訓(xùn)室是否有學(xué)生，如果沒有會(huì)自動(dòng)關(guān)上門，同時(shí)開啟安防模式。如果此時(shí)有非法進(jìn)入，就會(huì)通過無線傳輸模塊通知服務(wù)器，同時(shí)通過聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。

學(xué)生也可以通過每個(gè)實(shí)訓(xùn)室門前的LCD顯示器查詢相關(guān)實(shí)訓(xùn)室的安排情況，學(xué)生只需要通過鍵盤輸入模塊輸入學(xué)號(hào)、時(shí)間，就可以看到該實(shí)訓(xùn)室的安排。輸入部分為矩陣鍵盤，這是數(shù)字系統(tǒng)中很常用的輸入方式。0～9數(shù)字鍵，輸入學(xué)號(hào)、教室號(hào)、周幾等等信息；SET鍵，選擇輸入、確認(rèn)等信息；DEL鍵，用于輸錯(cuò)刪除等；ESC鍵，退出查詢返回主菜單。

指紋識(shí)別模塊是在特殊情況下使用的，一般裝置在FLASH中存儲(chǔ)著管理員的指紋信息和部分教師的指紋信息。當(dāng)裝置發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致無法進(jìn)行門禁開啟時(shí)，可以通過指紋進(jìn)行解鎖操作。

學(xué)生進(jìn)入教室后，開啟自己手機(jī)的藍(lán)牙功能，裝置通過搜集學(xué)生的藍(lán)牙信息來進(jìn)行考勤。同時(shí)，生成一張考勤表傳送給服務(wù)器。由于裝置會(huì)周期性地進(jìn)行考勤工作，這樣可以防止學(xué)生中途離開，也可對(duì)學(xué)生遲到和曠課進(jìn)行區(qū)分。

1.3 裝置的軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的核心部分，使用該系統(tǒng)的用戶無非4類人，教師、學(xué)生、實(shí)訓(xùn)室管理員和系統(tǒng)管理員。（1）學(xué)生可以通過網(wǎng)頁或者移動(dòng)客戶端平臺(tái)登錄管理系統(tǒng)（見圖3），不僅可以修改個(gè)人信息，查看個(gè)人的課表和課程所在的實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)還可以通過該平臺(tái)查詢自己的相關(guān)考勤記錄和相關(guān)課程信息。（2）教師可以通過該平臺(tái)上傳相關(guān)課程的授課資料、學(xué)生的作業(yè)等文件。文件通過服務(wù)器傳送給相關(guān)實(shí)訓(xùn)室的FLASH中（由于FLASH容量有限，每個(gè)裝置只存儲(chǔ)當(dāng)天的文件信息，服務(wù)器上保存所有歷史信息），該文件將在上課時(shí)傳送給學(xué)生用戶，教師還可以通過該系統(tǒng)查看到課程所有考勤的情況。（3）實(shí)訓(xùn)室管理員用戶可以通過系統(tǒng)查看自己實(shí)訓(xùn)室的使用情況，包括教師課表、機(jī)器使用情況、學(xué)生考勤情況、裝置的異常日志等信息。由于系統(tǒng)自己可以生成報(bào)表，這樣大大減輕了實(shí)訓(xùn)室教師的工作強(qiáng)度。（4）系統(tǒng)管理員用戶，該類用戶可以通過系統(tǒng)得到所有裝置的使用情況報(bào)告（包括日志信息、錯(cuò)誤消息和代碼等），同時(shí)可以管理各類用戶。

2 結(jié)語

文中采用單片機(jī)與各類傳感器模塊相結(jié)合設(shè)計(jì)的高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室管理系統(tǒng)，已在部分高校的相關(guān)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行小范圍的試用。實(shí)際運(yùn)行使用中，該裝置工作穩(wěn)定可靠，同時(shí)，可大大降低實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)人員的工作強(qiáng)度，將其適當(dāng)修改可用于教室的管理中，適合在高校特別是實(shí)訓(xùn)室較多的高職院校進(jìn)行推廣。

無線互聯(lián)科技

Wireless Internet Technology

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Abstract： The management of laboratory training room in colleges and universities has always been a difficult problem to be solved. With the popularization of smart campus in colleges and universities， the laboratory can also rely on internet of things， cloud computing and other new technologies for information management. This paper describes the design of a laboratory management terminal based on single chip and hybrid communication module. The terminal can not only use the internet of things technology to manage the teachers， students and related equipment， but also can carry out work distribution and collection through the wireless module. Because the device integrates the positioning module and the independent power module， it can be reused.

Key words： laboratory training room in colleges and universities； smart campus； information management