校園多分布式?；返闹悄軠y控系統(tǒng)研制

摘 要：?；返闹悄芄芾砗腿^程使用監(jiān)督，對保障實驗室安全具有重要意義，是智慧校園建設(shè)的核心內(nèi)容。為此，設(shè)計了一種基于國產(chǎn)統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)的校園實驗室?；反鎯穹植际街悄芄芾硐到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用Python軟件開發(fā)UOS主控系統(tǒng)，依托實驗室內(nèi)的局域網(wǎng)作為通信載體，構(gòu)建分布式主從架構(gòu)，支持從機快速復(fù)制機制。服務(wù)端通過局域網(wǎng)通信響應(yīng)多分布式下位機應(yīng)答指令和完成?；肥褂孟嚓P(guān)數(shù)據(jù)庫記錄工作，客戶端完成動作申請、授權(quán)并驅(qū)動單片機系統(tǒng)完成實驗室開柜開鎖動作。系統(tǒng)有效解決了“信息孤島”問題，兼具封閉性、安全性和實時性的特點，為校園多分布式管理系統(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

關(guān)鍵詞：危化品；統(tǒng)信UOS；局域網(wǎng)；單片機；安全管理；智能測控系統(tǒng)；智慧校園

中圖分類號：TP79；TD76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

“十四五”時期我國危險化學品安全生產(chǎn)仍處于爬坡過坎、攻堅克難的關(guān)鍵期，擁有安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的有利條件，但也面臨新舊風險疊加的嚴峻挑戰(zhàn)[1]。高校也是安全生產(chǎn)的主陣地，實驗室是進行教研的重要基地。隨著我國高校學科多樣性發(fā)展，實驗用?；返臄?shù)量顯著增加并呈現(xiàn)多分布式的特點，常規(guī)監(jiān)管方式下存在較大的安全隱患，?；返谋O(jiān)管面臨很大的挑戰(zhàn)[2-3]。構(gòu)建兼具高可靠性、安全性和實時性的實驗室?；饭芾硐到y(tǒng)成為亟需解決的問題。

近年來，高校對實驗室管理的重視程度不斷加深，尤其是智慧校園的建設(shè)對實驗室設(shè)備管理和系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進作用[4]。與此同時，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密相關(guān)的通信技術(shù)、單片機技術(shù)以及傳感器技術(shù)的不斷革新也使得遠程監(jiān)控實驗室儀器成為可能[5]。綜述相關(guān)的管理系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，通信問題是校園?；范喾植际教攸c下面臨的核心問題，依賴物聯(lián)網(wǎng)卡或者大功率ZigBee、LoRa等的通信方式構(gòu)建的系統(tǒng)，其成本和功耗顯著性增高，存在“信息孤島”問題。相對于傳統(tǒng)的機械式管理系統(tǒng)[6]，本文設(shè)計了一種可以遠程控制?；饭竦闹悄芄芾硐到y(tǒng)，能夠?qū)崟r記錄柜門的開關(guān)時間及使用次數(shù)，充分利用校園內(nèi)的局域網(wǎng)進行通信[7]，構(gòu)建分布式主從架構(gòu)，支持從機快速復(fù)制機制。本文方法為其他校園多分布式管理系統(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

1 系統(tǒng)總體方案

本文的?；反鎯窆芾硐到y(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，該系統(tǒng)基于統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)平臺進行開發(fā)，主要是由下位機模塊和上位機組成。

下位機模塊以單個實驗室為單位進行布置，主要由單片機系統(tǒng)和危化品柜組成。將單片機系統(tǒng)嵌入?；饭裰校c鎖體相連，以獲得或發(fā)送開鎖指令。

局域網(wǎng)平臺上位機由服務(wù)端和多個客戶端組成。一個客戶端與一個下位機模塊組成一個從機，服務(wù)端可以匹配多個客戶端，以構(gòu)建分布式主從架構(gòu)方便監(jiān)測。管理人員在局域網(wǎng)下登錄服務(wù)端后，可以在界面查看到每個實驗室危化品柜的開關(guān)時間與使用次數(shù)，通過點擊界面按鈕開關(guān)某個危化品柜，從而解決“一室多柜”的監(jiān)測問題。

在系統(tǒng)運行前需在客戶端上位機界面與服務(wù)端上位機界面的IP輸入框內(nèi)輸入服務(wù)端上位機的IP地址，連接完成后當客戶端按下按鈕申請取用危化品時，服務(wù)端軟件界面將會出現(xiàn)“客戶端請求開鎖”字樣，管理人員若同意開鎖則需點擊屏幕上同意開鎖按鈕。此時，開鎖信號將由服務(wù)端通過局域網(wǎng)平臺發(fā)送到客戶端上位機，客戶端上位機接收到開鎖信號后再將這一指令發(fā)送到與其相連接的單片機模塊，單片機模塊則控制繼電器導(dǎo)通將鎖體打開。

2 下位機設(shè)計

下位機是每個實驗室內(nèi)的子單元，該單元由一個單片機系統(tǒng)嵌入?；饭窠M成。

系統(tǒng)使用圖2所示的STC89C51單片機，其最小系統(tǒng)主要由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路組成。單片機串口模塊負責下位機模塊與客戶端之間的數(shù)據(jù)交互，以及局域網(wǎng)平臺服務(wù)端與下位機模塊的數(shù)據(jù)交互，以實現(xiàn)危化品封閉管理。將單片機模塊嵌入到危化品存儲柜中，并與電控鎖相連；P2^4引腳與按鍵相連接，P2^2引腳通過繼電器與電控鎖連接；使用降壓模塊將電源降壓到5 V給單片機模塊供電。

當按下?；饭窨蛻舳私缑嫔系纳暾堥_鎖按鈕時，單片機系統(tǒng)會將開鎖信號通過串口發(fā)送給客戶端；服務(wù)端通過局域網(wǎng)平臺接收到開鎖信號，當服務(wù)端的管理人員同意使用時，同意開鎖信號將通過局域網(wǎng)平臺發(fā)送給客戶端，?；饭穸说膯纹瑱C系統(tǒng)串口會接收到信號；此時單片機系統(tǒng)將會執(zhí)行中斷時間，控制繼電器使電控鎖通電，通電即可開鎖取用?；贰?/p>

3 上位機設(shè)計

局域網(wǎng)平臺上位機基于統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)設(shè)計，主要是由客戶端、服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫組成。其中：客戶端與服務(wù)端由Python語言編寫，客戶端設(shè)置在下位機模塊，便于實驗員申請開柜；服務(wù)端用于管理人員通過局域網(wǎng)通信響應(yīng)多分布式下位機應(yīng)答指令和查詢使用記錄；使用Python自帶的tkinter 模塊展示相關(guān)用戶界面；MySQL用于將使用記錄存儲為數(shù)據(jù)庫。

3.1 統(tǒng)信UOS

統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)是一款體現(xiàn)當今主流Linux服務(wù)器操作系統(tǒng)發(fā)展水平的產(chǎn)品，因其極高的可靠性、持久的可用性、優(yōu)良的可維護性，在用戶的實際運行及使用的過程中深受好評。本文采用統(tǒng)信UOS系統(tǒng)，正因其基于Linux內(nèi)核[8]，

在網(wǎng)絡(luò)通信方面有多項優(yōu)點，能夠提供極為廣泛的協(xié)議棧支持，如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk、ATM通信協(xié)議等；具有良好的跨操作系統(tǒng)兼容性，如Windows、Unix、MacOS的環(huán)境等，可以與校園所使用的操作系統(tǒng)兼容。

3.2 用戶界面

界面的主要功能是接收用戶輸入和可視化，是用戶與應(yīng)用程序交互的平臺[9]。該系統(tǒng)使用Python自帶的tkinter庫，可提供快速便利創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序的方法。通過鼠標對菜單、按鈕等圖形化元素觸發(fā)指令，并從標簽、對話框等圖型化的顯示容器中獲取人機對話信息。

?；饭窆芾硐到y(tǒng)的界面由兩部分組成：服務(wù)端界面和客戶端界面?？蛻舳私缑嬗扇糠纸M成，分別是：服務(wù)端ID輸入、申請開鎖與申請信息錄入。服務(wù)端界面由兩部分組成，分別是：服務(wù)端IP地址輸入與?；饭駭?shù)據(jù)庫的使用記錄。數(shù)據(jù)庫采用MySQL創(chuàng)建，以實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)的查詢。

管理人員在局域網(wǎng)平臺下通過界面可以查詢?；饭竦氖褂萌藛T、使用物品與使用時間，客戶端與服務(wù)端的使用者通過界面進行IP輸入以實現(xiàn)雙方的通信。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

MySQL是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，每個數(shù)據(jù)庫都有一個或多個不同的API用于創(chuàng)建、訪問、管理、搜索和復(fù)制所保存的數(shù)據(jù)[10]。該系統(tǒng)使用MySQL創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(nèi)有一個表格包括四個字段名：申請人、物品名稱、事由和取用時間，將這些數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲。對?；饭竦氖褂眠M行實時記錄，以達到無需紙張、不耗費人力、實現(xiàn)局域網(wǎng)下存儲的目的。

3.4 程序設(shè)計

程序設(shè)計主要是為實現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的通信，以及一些界面的設(shè)計。Python語言因其開源本質(zhì)，已經(jīng)被移植在許多平臺上，本系統(tǒng)在統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)下進行，Python是很好的選擇。

?；饭窨刂七^程：當服務(wù)端與客戶端的使用人員輸入雙方的IP，通過局域網(wǎng)平臺連接成功。實驗員試圖打開?；饭駮r，只需按下界面按鈕，客戶端會解析命令，通過局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)端；服務(wù)端在解析命令后，顯示在界面上請求管理人員開鎖，管理人員控制按鈕授權(quán)并驅(qū)動單片機系統(tǒng)完成實驗室開柜開鎖動作，實現(xiàn)對多分布式下位機應(yīng)答指令的響應(yīng)。與此同時，將使用數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)端，服務(wù)端將危化品柜的申請人、物品名稱、事由以及取用時間的數(shù)據(jù)同步更新在數(shù)據(jù)庫中，將這些數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲。具體系統(tǒng)的過程如圖3所示。

4 系統(tǒng)整體功能測試

系統(tǒng)主要功能分為檢測?；饭耖_關(guān)狀態(tài)和記錄存儲柜的使用情況。測試時，對學校機械學院材料實驗室內(nèi)的危化品柜進行控制。將服務(wù)端布置在學校局域網(wǎng)下的一臺主機上，在危化品柜端的PC機上登錄客戶端，并接上單片機系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的功能測試。

測試開始時，柜門處于關(guān)閉狀態(tài)，實驗員與管理人員分別輸入服務(wù)端上位機的IP后，客戶端與服務(wù)端進行連接；連接成功后客戶端將會顯示“服務(wù)器已連接”字樣。實驗員需要輸入申請信息，包括姓名、使用物品以及事由，接著按下“申請開柜”按鈕等待管理人員授權(quán)即可。客戶端測試界面如圖4所示。

測試?；饭竦氖褂糜涗浌δ軙r，在危化品柜端的上位機向服務(wù)端申請開鎖；服務(wù)端上位機管理人員同意申請后，數(shù)據(jù)庫將使用信息進行保存，通過界面即可查詢使用記錄。每授權(quán)開鎖一次，數(shù)據(jù)庫會將開關(guān)時間與申請信息累積。數(shù)據(jù)查詢測試界面如圖5所示。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)經(jīng)過多次的測試改進，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在局域網(wǎng)下一鍵審批?；饭竦墓δ埽瑢崟r記錄?；饭竦氖褂糜涗洠浞滞诰?qū)嶒炇屹Y源，避免重復(fù)構(gòu)建。分布式主從架構(gòu)可以實現(xiàn)從機快速復(fù)制機制，尤其是通信部分有效地解決了“信息孤島”問題。另外，系統(tǒng)兼具封閉性、安全性和實時性的特點，可以滿足對實驗室?；饭竦陌踩芾恚瑸樾@多分布式?；饭芾硐到y(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

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作者簡介：姜闊勝（1983—），男，山東威海人，博士，副教授，主要研究方向為機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷分析、智能視覺檢測、智能儀器與虛擬儀器設(shè)計。

段惠中（2000—），女，山西臨汾人，現(xiàn)就讀于安徽理工大學儀器儀表工程專業(yè)。

收稿日期：2023-04-17 修回日期：2023-05-15

基金項目：安徽理工大學研究生核心（一流）課程建設(shè)項目（2020HX004）；國家重點研發(fā)計劃（2020YFB 1314203）