高校實(shí)驗(yàn)室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘宇　張葉茂　莫淑賢

摘 ?要：高校實(shí)驗(yàn)室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)提供了請假管理、共享文件管理、室內(nèi)溫濕度顯示、燈光控制器、空調(diào)控制、風(fēng)扇控制、攝像頭監(jiān)控、課堂記錄、桌面電源控制功能，可以對學(xué)生儀器使用情況進(jìn)行記錄，將使用記錄存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫端，記錄數(shù)據(jù)具有可追溯性，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式相比，信息化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更加可靠和安全，有利于快速對實(shí)驗(yàn)室信息查詢，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用，提高設(shè)備的利用率，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室日常管理的網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化、高效化。

關(guān)鍵詞：高校實(shí)驗(yàn)室;信息管理系統(tǒng);利用率

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Implementation of Information Management and

Application System for University Laboratory

PAN Yu1， ZHANG Yemao1， MO Shuxian2

（1.Nanning College for Vocational Technology， Nanning 530008， China;

2.Guangxi Vocational College of Technology and Business， Nanning 530008， China）

664355872@qq.com; 43882320@qq.com; 782062042@qq.com

Abstract： This paper proposes an information management and application system for university laboratories. The proposed system provides functions including leave management， file sharing， indoor temperature and humidity display， lighting control， air conditioning control， ceiling fans control， surveillance camera， classroom control， desktop power control. The use of lab instrument by students can also be recorded. The recording data can be traced and stored in database. Compared with the traditional way of data storage， this information management system is more reliable and safe， providing quick information query and overall coordination of lab instruments， improving the utilization rate of equipment， so as to achieve the network， standardization， high efficiency of daily laboratory management.

Keywords： university laboratory; information management system; utilization

1 ? 引言（Introduction）

現(xiàn)今大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)室管理中，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息是依靠手工建立大量的臺賬、卡片的方式來進(jìn)行管理的，儀器儀表檔案的查詢往往耗費(fèi)大量時(shí)間，如果設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，如借出、歸還、丟失、損壞、閑置時(shí)，都需要登記相應(yīng)卡片，造成管理手續(xù)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息以及課程信息等不能有機(jī)地結(jié)合，各種收集和管理都是獨(dú)立分散地進(jìn)行，致使各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間、老師和實(shí)驗(yàn)室之間缺乏聯(lián)系，對于承擔(dān)大量實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)室而言，存在管理工作量大，信息數(shù)據(jù)多的情況，因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理方式，造成了實(shí)驗(yàn)信息管理效率低、實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率低、預(yù)約實(shí)驗(yàn)比較煩瑣及工作效率低等問題，在實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面存在很大的缺陷，進(jìn)而制約實(shí)驗(yàn)室的總結(jié)評估工作[1]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化技術(shù)的發(fā)展，在高校實(shí)驗(yàn)室的日常管理中，通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化管理，是充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，提高實(shí)驗(yàn)室的使用效率的一個(gè)有效地管理方法。從而，依據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)，引入信息化手段為實(shí)驗(yàn)室的管理服務(wù)，建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的意義，信息化管理是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理科學(xué)化、規(guī)范化、現(xiàn)代化，高效性、方便性、準(zhǔn)確性、安全性的最有效途徑。

2 ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（System design scheme）

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)WEB端對實(shí)驗(yàn)室的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行在線匯總，對常用的儀器儀表設(shè)備的使用情況進(jìn)行管理，管理員通過系統(tǒng)界面對實(shí)驗(yàn)室器材和室內(nèi)照明燈具以及空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制以及通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全監(jiān)視，學(xué)生通過刷卡激活實(shí)驗(yàn)器材電源并返回實(shí)驗(yàn)器材情況。系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)如下：

（1）系統(tǒng)通過煙霧等多個(gè)不同功能傳感器采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境狀況數(shù)值并顯示;

（2）在WEB端查看設(shè)備使用情況，可以保存和更新設(shè)備的狀態(tài)信息;

（3）學(xué)生只需要刷卡即可完成一系列信息登記;

（4）可以對單個(gè)設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制，也可以同時(shí)對所有設(shè)備電源進(jìn)行控制;

（5）控制監(jiān)控?cái)z像頭，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室狀況;

（6）師生可以在線上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、查看實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、精品共享課程內(nèi)容。

本系統(tǒng)整體框架系統(tǒng)，如圖1所示。

3 ?系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)（Hardware design of the system）

硬件系統(tǒng)主要由STM32F103主控芯片、電源控制模塊、RFID-RC522、ESP8266、繼電器、傳感器、顯示模塊組成，電源控制模塊是通過RFID-RC522非接觸式卡感應(yīng)是否有卡刷入，刷卡后該系統(tǒng)連接至學(xué)校數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并記錄該學(xué)生使用儀器設(shè)備記錄，成功刷入卡后，指示燈由紅變綠，插排即可通電，服務(wù)器在電腦終端顯示，終端連著路由器，路由器作為熱點(diǎn)，每個(gè)刷卡設(shè)備都有一個(gè)ESP8266連入路由器設(shè)備，作為從設(shè)備。

教師服務(wù)器終端擁有控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的權(quán)限，可以控制該實(shí)驗(yàn)室的插排電源、風(fēng)扇、燈光、空調(diào)等設(shè)備，ESP8266WIFI模塊通過串口將STM32F103獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至WEB平臺，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

3.1 ? STM32F103主控芯片

STM32F103芯片，集成包含了晶振時(shí)鐘、復(fù)位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調(diào)試接口、串行通信接口等電路，可以進(jìn)行高速運(yùn)算，能夠與傳感器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊并采集數(shù)據(jù)，WIFI模塊通過串口與STM32F103通信，通過路由器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器端，師生通過PC機(jī)或者手機(jī)登錄網(wǎng)頁WEB端，進(jìn)行控制、查詢，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室本地與遠(yuǎn)程功能控制操作[2]。

3.2 ? 環(huán)境監(jiān)測與調(diào)節(jié)

系統(tǒng)通過安裝在實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)不同的傳感器，采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕、煙霧、光照的強(qiáng)度等數(shù)值，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到WEB端，若溫濕度超過設(shè)定值，可自動(dòng)開啟通風(fēng)系統(tǒng)（或空調(diào)），降低實(shí)驗(yàn)室溫濕度值，保證實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備安全的存放。

環(huán)境監(jiān)測部分使用了DHT11溫濕度采集模塊，模塊采集到的數(shù)據(jù)會(huì)回傳到STM32F103中，并通過判斷溫度數(shù)據(jù)是否高于設(shè)定值來決定是否啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)，溫度數(shù)據(jù)每隔一定時(shí)間通過TCP方式傳送至WEB端。

3.3 ? 指紋門禁

通過驗(yàn)證進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人員的指紋進(jìn)行門禁，保障實(shí)驗(yàn)室的安全，在指紋門禁系統(tǒng)中，使用FM10A指紋模塊，錄入管理員指紋，如果在管理員對實(shí)驗(yàn)室管理期間有變動(dòng)，門禁系統(tǒng)也可以通過系統(tǒng)清除管理員的指紋，在門禁系統(tǒng)啟動(dòng)使用期間，STM32F103主控芯片處于循環(huán)發(fā)送搜索指紋命令，當(dāng)指紋模塊FM10A匹配到相同的指紋，就會(huì)返回一個(gè)信息給STM32F103來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)開門，從而實(shí)現(xiàn)門禁作用。

3.4 ? 防盜入侵報(bào)警

防盜系統(tǒng)由紅外報(bào)警組成。實(shí)驗(yàn)室窗戶裝有紅外監(jiān)測模塊，當(dāng)檢測到非法入侵，則進(jìn)行報(bào)警，紅外報(bào)警部分，采用的是是反射式紅外傳感器，它可以測量1M的距離，且功耗極低。當(dāng)有障礙物在紅外發(fā)射器的直線上經(jīng)過，紅外線會(huì)從障礙物反射回接收器，紅外報(bào)警模塊就會(huì)返回電平信息給主控STM32F103芯片，通過判斷I/O返回的高低電平信息來決定是否啟動(dòng)語音報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并通過GSM模塊給實(shí)驗(yàn)室管理人員的手機(jī)發(fā)送信息來提醒報(bào)警[3]。

ESP8266擁有完整的且成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(dú)立應(yīng)用，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。當(dāng)ESP8266獨(dú)立應(yīng)用時(shí)，能夠直接從外接flash中啟動(dòng)，通過UART串口與主控芯片STM32F103連接，以TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，ESP8266建立TCP連接流程，如圖3所示。

3.5 ? 桌面電源控制功能

桌面電源主要功能是通過RFID打卡使用儀器，將學(xué)生的儀器使用記錄同步到數(shù)據(jù)庫中保持，替代以往的紙質(zhì)記錄的方法，除了打卡操作外，教師還可以單獨(dú)在WEB端對桌面電源的開關(guān)進(jìn)行控制和鎖定操作，當(dāng)觸發(fā)鎖定后，桌面電源將保持原來的狀態(tài)，打卡沒有效果。

3.6 ? 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，使用的是一個(gè)USB監(jiān)控?cái)z像頭和一個(gè)TPLINK WR703N無線路由器，攝像頭通過路由器上的USB接口進(jìn)行連接，無線路由器刷入OPENWRT系統(tǒng)，系統(tǒng)服務(wù)器通過訪問相應(yīng)的端口即可獲取實(shí)時(shí)畫面并可以控制攝像頭角度轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。

3.7 ? 供電電源

硬件系統(tǒng)功能電源模塊采用220V交流電降壓至5V為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，該電路由開關(guān)電源和輸出電路兩部分組成，電源電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

當(dāng)接通電源后，220V交流通過D1整流，C14濾波，通過電阻R10給三極管Q2提供基極啟動(dòng)電流，使Q2開始導(dǎo)通，其集電極電流線性增長，在L2中感應(yīng)出使Q2基極為正、發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，通過C15和R6，送到Q2基極，使Q2迅速飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢給電容C15充電，隨著C15充電電壓升高，Q2基極電位逐漸下降，IC開始減小，在L2中感應(yīng)出使Q2基極為負(fù)，發(fā)射極為正的電壓，使Q2迅速截止，完成一個(gè)振蕩周期，在Q2截止期間，在L3繞組感應(yīng)出一個(gè)5V左右的交流電壓。此后，C15逐漸放電，Q2基極電壓逐漸升高，從而開始第二個(gè)周期，不斷循環(huán)。L3輸出電壓經(jīng)D3整流、C17濾波后通過USB座給負(fù)載供電。LED1和R9組成輸出指示電路。

DZ、817、Q1等組成取樣比較電路，檢查輸出電壓的高低。當(dāng)負(fù)載變輕或電源電壓升高等原因?qū)е螺敵鲭妷荷邥r(shí)，DZ擊穿，817中發(fā)光二極管電流增大，817中光敏三極管電流增大。L2反饋繞組中的感應(yīng)電壓經(jīng)817中的光敏三極管到Q1基極，Q1基極電流增大，集電極電流增大，Q2基極電流減小，集電極電流減小，負(fù)載能力變小，從而導(dǎo)致輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓降低后，Q1取樣后又會(huì)截止，Q2的負(fù)載能力變強(qiáng)，輸出電壓升高，這樣起到自動(dòng)穩(wěn)壓作用。D2為L2繞組輸出電壓整流二極管，C16為濾波電容。

本電路設(shè)計(jì)有過流過載保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載過載或者短路時(shí)，Q2的集電極電流增大，Q2的發(fā)射極電阻R7上產(chǎn)生較高的壓降，這個(gè)過載或者短路產(chǎn)生的高電壓經(jīng)過R8讓Q1飽和導(dǎo)通，從而讓Q2截止，停止輸出，防止過載損壞。

4 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（System software design）

4.1 ? 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如圖5所示，用戶界面通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)跨平臺的特性，通過JavaScript、Html、JQ等技術(shù)結(jié)合LAYUI框架搭建出扁平化風(fēng)格的前端界面，使用C#、.NET、MYSQL完成后臺服務(wù)器端的開發(fā)，WEB前端的功能采用模塊化的設(shè)計(jì)[4]，可以在原基礎(chǔ)功能上擴(kuò)展出更多的功能，同時(shí)不會(huì)影響到整體的瀏覽效果。

通過實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，可以獲取到各專業(yè)學(xué)生的信息，數(shù)據(jù)直觀，顯示信息有：院系、專業(yè)、班級、學(xué)號、名字、性別、聯(lián)系方式、請假時(shí)間、收假時(shí)間、備注信息，信息的錄入可直接使用Navicat Premium數(shù)據(jù)庫管理工具。

使用可道云WEB文件管理框架，基于FTP文件服務(wù)器搭建的一個(gè)校園內(nèi)網(wǎng)的FTP文件服務(wù)，可以設(shè)置教師私有文件，以及校園內(nèi)網(wǎng)公有的共享文件，通過WEB對文件操作，將課堂記錄的遲到、早退、曠課的同學(xué)名單提交到數(shù)據(jù)庫，在學(xué)期期末的時(shí)候可以調(diào)出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

采用上位機(jī)輪詢服務(wù)器的方法來達(dá)到數(shù)據(jù)中介轉(zhuǎn)發(fā)的效果，將WEB操作的信息通過數(shù)據(jù)庫記錄，服務(wù)器處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)分發(fā)到下位機(jī)設(shè)備。燈光控制器硬件上使用一個(gè)雙控開關(guān)和一個(gè)繼電器電路組成一個(gè)雙控電路，WEB端和墻壁開關(guān)都可以獨(dú)立對燈光進(jìn)行控制，空調(diào)控制器通過紅外解碼發(fā)射頭適配上空調(diào)的紅外編碼程序后即可通過WEB實(shí)現(xiàn)控制[5]，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

4.2 ? 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，支持所有的操作系統(tǒng)平臺，支持Apache、IIS等多種Web服務(wù)器，MySQL是一個(gè)真正的多用戶、多線程的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[6]，數(shù)據(jù)庫層操作功能強(qiáng)大，可操縱多種主流數(shù)據(jù)庫，SQL是世界上最流行的和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫語言，它使得存儲(chǔ)、更新和存取信息更加容易，MySQL是一個(gè)客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，它由一個(gè)服務(wù)器守護(hù)程序MySQL和許多不同的客戶程序及庫組成[7]，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)平臺主要的數(shù)據(jù)表，如圖7所示。

4.3 ? WEB前端設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)結(jié)合LAYUI框架，利用HTML、CSS等技術(shù)，對系統(tǒng)各界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主界面，如圖8所示，達(dá)到功能菜單簡潔明了，色彩搭配合適，美觀自然，作為系統(tǒng)的創(chuàng)新特色，采用JavaScript、JQ、Unity3D等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器三維模型展示，如圖9所示，使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)前后對儀器儀表都有一個(gè)直觀形象的認(rèn)識。

4.4 ? 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理

服務(wù)器數(shù)據(jù)處理采用C#語言，C#是一種安全的、穩(wěn)定的由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言，可以快速基于.NET提供的一系列的工具和服務(wù)來最大限度地開發(fā)。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

高校實(shí)驗(yàn)室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)的桌面打卡系統(tǒng)改變了以往使用紙質(zhì)記錄學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況，打卡數(shù)據(jù)連入學(xué)校數(shù)據(jù)庫，以網(wǎng)絡(luò)形式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，這也是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的主流，服務(wù)器終端可以隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室燈光采用雙向控制，手動(dòng)和教室終端控制，兩端都能控制燈的狀態(tài)，WEB端可以控制風(fēng)扇或空調(diào)，當(dāng)無人使用實(shí)驗(yàn)室時(shí)，若燈光空調(diào)風(fēng)扇等沒有關(guān)閉可以通過網(wǎng)頁端操作關(guān)閉，達(dá)到節(jié)約用電的目的，實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控可以通過系統(tǒng)在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看，以上的功能的特點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)踐管理與教學(xué)表明，通過本系統(tǒng)的應(yīng)用提升了實(shí)驗(yàn)室管理效率，方便師生實(shí)驗(yàn)室的使用與實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)活動(dòng)開展。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Yi Lyu. Performance evaluation of real-time stream processing systems for Internet of Things applications[J]. Future Generation Computer Systems， 2020， 5（6）： 207-217.

[2] Junyan Gao. Joint model for residual life estimation based on Long-Short Term Memory network[J].

Neurocomputing， 2020， 2（4）： 284-294.

[3] 杜博.高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（15）：36-39.

[4] 閆海發(fā).基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)[J].探索與觀察，2018，12（50）：181-182.

[5] 陳根.互聯(lián)網(wǎng)+智能家居-傳統(tǒng)家居顛覆與重構(gòu)[J].軟件導(dǎo)刊，2020，10（2）：212-213.

[6] 賈靈，鄭淑君.物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)原理與實(shí)踐[J].科技廣場，2017，11（11）：361-362.

[7] 劉林濤，蔡瑜珩.基于Web技術(shù)的開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，17（4）：187-192.

作者簡介：

潘 ? 宇（1988-），男，碩士，講師/工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

張葉茂（1983-），男，碩士，副教授/高級工程.研究領(lǐng)域：智能控制技術(shù).

莫淑賢（1987-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：教育管理及信息化.本文通訊作者.