高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計(jì)

穆曉麗

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 山西 晉中 030801)

0 引言

隨著新時(shí)期發(fā)展,創(chuàng)新成為時(shí)代主題,高等學(xué)校作為我國培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的主要陣地,發(fā)揮重要作用。中共中央、中國國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化 2035》文件中明確指出,全國各高校應(yīng)充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù),打造智能化、數(shù)字化教育教學(xué)環(huán)境,其中實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行科研創(chuàng)新的重要場所,因此,針對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理的智能化建設(shè)持續(xù)開展?，F(xiàn)階段,我國高校實(shí)驗(yàn)室管理由于管理體制、管理需求等差異,市面上成型的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)難以滿足需求,而自行構(gòu)建個(gè)性化管理系統(tǒng)開發(fā)成本較高,且面臨后期維護(hù)等問題。針對(duì)此問題,本文以某高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)建設(shè)為基礎(chǔ),結(jié)合需求和現(xiàn)今技術(shù)發(fā)展水平,設(shè)計(jì)一種高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。

1 高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能需求分析

高校實(shí)驗(yàn)室管理工作是一項(xiàng)涉及范圍廣泛、綜合性較強(qiáng)的工作,除了管理外,還涉及教育、科研內(nèi)容?；诖?高校實(shí)驗(yàn)室管理體制、管理方法與其他實(shí)驗(yàn)室存在差異,管理工作側(cè)重點(diǎn)存在明顯區(qū)別。因此,在架構(gòu)管理系統(tǒng)時(shí),需要從建設(shè)管理、使用管理、安全管理、設(shè)備管理等方面入手。具體來看,應(yīng)滿足以下幾方面需求:

1.1 實(shí)驗(yàn)室排課需求

多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)使用頻繁的教學(xué)場所,很多專業(yè)需要通過實(shí)踐操作鞏固知識(shí)點(diǎn)。因此,實(shí)驗(yàn)室排課系統(tǒng)需求是一項(xiàng)基本功能,其可以與教務(wù)系統(tǒng)相對(duì)接,在教務(wù)系統(tǒng)排課完成后,以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單元,科學(xué)安排課程。一般實(shí)驗(yàn)室排課主要分為一鍵排課、二次排課和自主排課三大類。其中一鍵排課主要針對(duì)分批分組的獨(dú)立課程進(jìn)行安排,將此類實(shí)驗(yàn)課按照教務(wù)系統(tǒng)安排,一鍵排入實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng);二次排課針對(duì)分批分組課程進(jìn)行安排,針對(duì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程,需要結(jié)合教務(wù)系統(tǒng)課程規(guī)劃和課程內(nèi)容,合理進(jìn)行規(guī)劃;自主排課針對(duì)不在教學(xué)計(jì)劃之內(nèi)的課程進(jìn)行安排,高校學(xué)習(xí)中存在很多“課外活動(dòng)”,這些課程安排過程中,需要與其他課程錯(cuò)開,且基于實(shí)際情況,科學(xué)進(jìn)行安排。

1.2 實(shí)驗(yàn)室選課功能

高校實(shí)驗(yàn)室開展的課程,并非所有學(xué)生都需要選擇相同內(nèi)容,基于專業(yè)、學(xué)科等差異,會(huì)存在差距,此時(shí)面臨學(xué)生在課程基礎(chǔ)上二次選課問題,因此需要確保管理系統(tǒng)具備這一功能。

1.3 實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約功能

高校實(shí)驗(yàn)室中多數(shù)雖具備開放性,但由于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用戶數(shù)量較多,為了避免出現(xiàn)沖突,需要具備預(yù)約功能,進(jìn)而提前預(yù)防多方同時(shí)段使用實(shí)驗(yàn)室問題。因此,設(shè)置開放預(yù)約功能,便于學(xué)生利用移動(dòng)端自行查看實(shí)驗(yàn)室狀態(tài),進(jìn)而基于自身需求,提前進(jìn)行預(yù)約。高校實(shí)驗(yàn)室預(yù)約一般分為實(shí)驗(yàn)室和工位預(yù)約兩種,前者代表預(yù)約整個(gè)實(shí)驗(yàn)室,后者則只占據(jù)其中一個(gè)或者多個(gè)工位,實(shí)驗(yàn)室其他未被占區(qū)域仍可以對(duì)外開放[1]。

1.4 權(quán)限管理

高校實(shí)驗(yàn)室用戶數(shù)量眾多,內(nèi)部包含多種實(shí)驗(yàn)器材、儀器和設(shè)備,因此從權(quán)限方面加以限制,可以保證管理工作有序開展。一般按照用戶身份開通權(quán)限。高校實(shí)驗(yàn)室主要用戶包括學(xué)生、教師、實(shí)驗(yàn)室管理人員、實(shí)驗(yàn)中心主任等,基于用戶日常需求、不同業(yè)務(wù)需求,設(shè)定數(shù)據(jù)權(quán)限和操作權(quán)限,可以保證管理系統(tǒng)提供更為令人滿意的服務(wù)。

2 高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上文從功能需求角度進(jìn)行的分析,確定高校實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)需要具備的功能,其主要框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架結(jié)構(gòu)組成圖示

基于上文對(duì)功能框架的闡述,在此基于物聯(lián)網(wǎng)和射頻識(shí)別(radio frequency identification ,RFID)技術(shù),構(gòu)建一種由感知模塊、控制模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及應(yīng)用模塊等構(gòu)成的管理系統(tǒng)。其中系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架示意圖

結(jié)合圖2來看,感知模塊主要負(fù)責(zé)采集實(shí)驗(yàn)室管理所需的相關(guān)信息數(shù)據(jù);傳輸模塊負(fù)責(zé)完成信息傳遞、反饋和控制;數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整理、分析和存儲(chǔ),并對(duì)控制模塊下達(dá)指令,為用戶層提供所需數(shù)據(jù);應(yīng)用模塊為用戶提供服務(wù),便于用戶按照需求進(jìn)行操作。

2.2 實(shí)驗(yàn)室組織架構(gòu)

結(jié)合圖1對(duì)整體功能的闡述,實(shí)驗(yàn)室管理過程中,科學(xué)設(shè)置組織架構(gòu)是確保各項(xiàng)功能有序發(fā)揮的關(guān)鍵。結(jié)合高校實(shí)際情況,學(xué)院、實(shí)驗(yàn)中心(室)、功能實(shí)驗(yàn)室等均是實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)容,一般高校為了保證實(shí)驗(yàn)室安全,會(huì)按照實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)號(hào)、具體功能,安排專人負(fù)責(zé)管理,因此,實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)應(yīng)開辟專區(qū),表明各實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)責(zé)人、所屬學(xué)院、主要儀器、可承接實(shí)驗(yàn)類型等信息,同時(shí)與開放預(yù)約功能模塊相聯(lián)系,便于用戶在查閱實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息的同時(shí),可以看到該實(shí)驗(yàn)室位置、房間號(hào)、使用面積、是否可預(yù)約及近期是否可以預(yù)約等信息,便于用戶自行進(jìn)行選擇[2]。

2.3 各功能模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 感知模塊

主要借助各種類型的傳感器發(fā)揮效用?；趯?shí)驗(yàn)室的特點(diǎn),通常所用的各種傳感器如表1所示。

表1 應(yīng)用的傳感器各型號(hào)規(guī)則總覽

在設(shè)計(jì)感知模塊時(shí),為了保證敏銳度和精準(zhǔn)度,發(fā)揮RFID模組優(yōu)勢,使用UART串口通信,便于整體控制,同時(shí)與指紋識(shí)別等緊密聯(lián)系,更好識(shí)別進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人員身份,其中指紋識(shí)別借助 AS608指紋識(shí)別模組完成需求,但由于錄入的指紋無法跨模組應(yīng)用,為了應(yīng)對(duì)此問題,借助數(shù)據(jù)庫,將特征信息整合存入數(shù)據(jù)庫之中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在指紋識(shí)別模組之間共享信息,但需要注意,在讀取指紋信息時(shí),需要對(duì)其內(nèi)部特征緩沖區(qū)進(jìn)行識(shí)別才可以達(dá)成目的,操作復(fù)雜性相對(duì)較高。

2.3.2 控制模塊

控制模塊的主要功能是管控實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)出,主要依靠電磁鎖、繼電器等發(fā)揮效用,同時(shí)為了便于管理,在門禁系統(tǒng)位置會(huì)配備一塊液晶顯示屏幕,顯示相關(guān)信息及給予用戶提示[3]。

2.3.3 傳輸模塊

以Arduino Uno為核心,借助UART、SPI、I2C等接口,實(shí)現(xiàn)與各種外部設(shè)備相連接,實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和反饋。但需要注意應(yīng)用的主控制器自身不具備聯(lián)網(wǎng)功能,想要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、智能聯(lián)網(wǎng),需要借助ESP8266-01串口Wi-Fi模塊輔助。傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊聯(lián)系較為緊密,兩者之間借助MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理模塊

借助智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸反饋、數(shù)據(jù)處理功能。主要包括以下三方面:第一,MQTT接入服務(wù)器EMQX。以開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高效應(yīng)用和實(shí)時(shí)處理。第二,應(yīng)用數(shù)據(jù)流編輯器Node-RED。該軟件是新時(shí)期研發(fā)出來的一種聯(lián)系硬件設(shè)備、API和在線服務(wù)的系統(tǒng),借助節(jié)點(diǎn)可以將各種數(shù)據(jù)流串聯(lián)在一起,便于整體分析、匯總和處理。同時(shí)該軟件具備消息訂閱、發(fā)送和數(shù)據(jù)庫操作等功能,除此之外,還具備自定義編寫代碼創(chuàng)造個(gè)性化節(jié)點(diǎn)的能力,可以借助JavaScript代碼,依據(jù)實(shí)際需求,自定義編寫節(jié)點(diǎn)。第三,具備關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server。該數(shù)據(jù)庫操作簡便,性能優(yōu)良,可以與其他軟件聯(lián)合應(yīng)用,同時(shí)支持多種語言如C#、Java等完成交互,科學(xué)應(yīng)用這一軟件,可以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)庫性能[4]。

2.3.5 應(yīng)用模塊

應(yīng)用模塊主要包括兩部分,分別是手機(jī)端和PC端,其中PC端借助多文檔界面,可以同時(shí)展示不同子窗口,便于用戶同時(shí)使用多個(gè)功能。手機(jī)端以Java語言為基礎(chǔ),基于Android OS集成開發(fā)環(huán)境,確保實(shí)驗(yàn)室管理者可以及時(shí)感應(yīng)到實(shí)驗(yàn)室異常信息,并立即做出響應(yīng)。

3 高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)室排課選課

該模塊以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、專業(yè)等作為區(qū)分依據(jù),具備實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行增加、刪減、修改和查詢等功能,且可以直觀展示實(shí)驗(yàn)室所屬學(xué)院、實(shí)驗(yàn)編號(hào)、實(shí)驗(yàn)室號(hào)碼、位置信息、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和人數(shù)信息等,之后依據(jù)教務(wù)系統(tǒng)的課程安排,以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室數(shù)量、可以容納實(shí)驗(yàn)類型和容納人數(shù),科學(xué)安排課程,并指引學(xué)生按照學(xué)校規(guī)定完成選課,具備提示功能[5]。

實(shí)驗(yàn)室排課分為兩部分,其中教學(xué)計(jì)劃排課是基于教務(wù)系統(tǒng)結(jié)合教學(xué)計(jì)劃統(tǒng)一安排的實(shí)驗(yàn)課程,這類課程需要在教務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一安排課程完成后才能進(jìn)行,之后以教務(wù)系統(tǒng)為基礎(chǔ),按照教學(xué)計(jì)劃安排實(shí)驗(yàn)室課程。在排課過程中,可以選擇一鍵排課和二次排課方式進(jìn)行,排課完成后,需要電機(jī)調(diào)課完成按鍵進(jìn)行確認(rèn),如果在排課過程中,存在沖突,系統(tǒng)會(huì)給予提示,提示重新安排課程,當(dāng)所有課程安排之后,會(huì)進(jìn)行再次確認(rèn)和核對(duì),確認(rèn)無誤之后便形成正式課表,此時(shí)排課完成。對(duì)于自主排課,則主要針對(duì)在教學(xué)計(jì)劃之外的實(shí)驗(yàn)課課程進(jìn)行安排,此時(shí)需要先建立課程信息,在系統(tǒng)中輸入課程編號(hào)、課程名稱、課程所在教學(xué)單位等,然后再建立課程組,將任課教師、學(xué)生等輸入其中,之后便可以借助排課功能安排選課,剩余步驟與教學(xué)計(jì)劃課程排課相似,不再進(jìn)行重復(fù)闡述。

3.2 實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約功能

實(shí)驗(yàn)室開放包括兩方面,分別是實(shí)驗(yàn)室開放和實(shí)驗(yàn)室工位開放。因此在此功能區(qū),需要先確定該實(shí)驗(yàn)室是否對(duì)外開放,確定開放限制標(biāo)準(zhǔn)。師生在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室時(shí),可以自行在管理系統(tǒng)上進(jìn)行查閱確定。對(duì)于開放實(shí)驗(yàn)室而言,勢必存在多人同時(shí)有使用需求的問題,因此需要確保實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約功能具備自我判斷能力,從時(shí)間、人數(shù)等方面確定實(shí)驗(yàn)室課程安排是否符合實(shí)際情況,例如某一時(shí)段某一實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被安排課程,則此時(shí)間該實(shí)驗(yàn)室不會(huì)對(duì)外開放預(yù)約功能,或者當(dāng)實(shí)驗(yàn)室工位均被預(yù)訂之后,該實(shí)驗(yàn)室也不會(huì)再繼續(xù)對(duì)外開放預(yù)約功能。

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約面向全校師生,在預(yù)約過程中,可按照日期、節(jié)次等時(shí)間點(diǎn),查詢實(shí)驗(yàn)室具體空余情況,基于實(shí)際需求選擇空余實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)約,預(yù)約時(shí)需要按照規(guī)范要求填入信息數(shù)據(jù),審核完成后提交申請(qǐng),通過管理人員審批之后可以在預(yù)定時(shí)間使用實(shí)驗(yàn)室,此時(shí)期不會(huì)被預(yù)定的實(shí)驗(yàn)室不會(huì)再對(duì)其他人開放[6-7]。

工位預(yù)約相較實(shí)驗(yàn)室預(yù)約最顯著差距在于使用面積較小,工位預(yù)約只是約定其中一個(gè)或者多個(gè)工位,需要面臨和其他人共同使用實(shí)驗(yàn)室的問題,預(yù)定時(shí)也是按照預(yù)定整個(gè)實(shí)驗(yàn)室流程一樣操作,按照日期、節(jié)次進(jìn)行選擇,查詢空閑實(shí)驗(yàn)室,然后自行按照規(guī)范要求填寫相關(guān)信息,提交申請(qǐng),通過審核之后便可以在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)使用工位。同時(shí)出于服務(wù)師生目的,如果工位數(shù)量充足,系統(tǒng)支持師生同一時(shí)間段內(nèi)多次預(yù)定工位。

3.3 用戶及權(quán)限管理

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要用戶以學(xué)校師生為主,由于不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范存在差異,用戶類型呈現(xiàn)多元化特點(diǎn),在設(shè)定權(quán)限時(shí)難以按照統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行。因此,按照數(shù)據(jù)權(quán)限和操作權(quán)限兩方面進(jìn)行思考,其中數(shù)據(jù)權(quán)限主要包括查看數(shù)據(jù)庫信息,以實(shí)驗(yàn)室為核心的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)賦予等,一般對(duì)實(shí)驗(yàn)室老師進(jìn)行賦權(quán),如果存在特殊需求,會(huì)賦予其他部門數(shù)據(jù)權(quán)限。操作權(quán)限是操控實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的權(quán)限,其中包括功能優(yōu)化、功能模塊刪減、修改、增加等操作,因此,一般會(huì)按照學(xué)生、教師、實(shí)驗(yàn)室管理主任、實(shí)驗(yàn)教務(wù)等進(jìn)行賦權(quán),同時(shí)也會(huì)給予特殊需求,對(duì)個(gè)別用戶進(jìn)行權(quán)限賦予[8-10]。

4 結(jié)語

綜上所示,本文針對(duì)我國高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用情況,總結(jié)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)構(gòu)建功能需求,然后圍繞需求,設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)框架,并從功能實(shí)現(xiàn)角度闡述該設(shè)計(jì)方案。管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由感知模塊、控制模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和應(yīng)用模塊五部分組成,主要功能包括實(shí)驗(yàn)室排課選課、實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約功能和用戶及權(quán)限管理三大類。該實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)構(gòu)建方案的提出,有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理中存在的不足之處,對(duì)推動(dòng)智能化管理實(shí)現(xiàn)有積極作用。