基于物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)

周開(kāi)利+黎娟+劉江豪

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的不足，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，通過(guò)無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)與智能電源插座，開(kāi)發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，解決了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室改造中的布線困難和現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題，期望該設(shè)計(jì)有助于進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室的智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室；物聯(lián)網(wǎng)；信息管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）07-0085-03

0引言

隨著高校教育教學(xué)改革的深入，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)日益成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中最重要的部分。針對(duì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能化管理的需求，從不同的角度出發(fā)，提出了許多開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)解決方案，如機(jī)房自動(dòng)管理系統(tǒng)[1]、針對(duì)全校實(shí)驗(yàn)室的校園開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)[2]、分級(jí)管理開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)[3]、基于IC卡的高校實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)[4]、基于RFID和ZigBee的開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)室[5]、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)[6]、基于物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室[7]等，這些方案在實(shí)驗(yàn)室信息管理、人員管理、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、教學(xué)資源管理等方面，不同程度實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的信息化管理，但除了計(jì)算機(jī)房以外，針對(duì)其它開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，由于沒(méi)有計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大多存在自動(dòng)化管理程度不高的問(wèn)題，另外，在將普通實(shí)驗(yàn)室改造為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中，存在布線困難等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)與智能電源插座[8]，本文以該無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)與智能電源插座，開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的智能化管理水平。

1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)和智能電源插座等部分組成[8]。協(xié)調(diào)器用于完成硬件系統(tǒng)（無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)和智能電源插座等）與服務(wù)器之間的通信，無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)完成進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室人員的身份識(shí)別，智能電源插座實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)關(guān)控制以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的狀態(tài)檢測(cè)與過(guò)流保護(hù)。

軟件系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）構(gòu)架，分為前端客戶(hù)機(jī)瀏覽器和服務(wù)器?？蛻?hù)端以HTTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求，服務(wù)器接到請(qǐng)求后對(duì)這些請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證，證明其合法性后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果以HTML格式返回給客戶(hù)機(jī)瀏覽器。服務(wù)器負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)的控制與和各個(gè)應(yīng)用模塊的管理，是系統(tǒng)核心部分。采用B/S結(jié)構(gòu)客戶(hù)端無(wú)需安裝任何程序，可簡(jiǎn)化客戶(hù)端電腦的載荷，給數(shù)據(jù)訪問(wèn)和應(yīng)用程序執(zhí)行帶來(lái)極大便利，也大大降低了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本及工作量。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，實(shí)驗(yàn)室基本信息管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理和現(xiàn)有的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)[1-7]基本相同，這里不再贅述。

圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1人員管理

人員管理模塊將人員分為實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)管理人員、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師、學(xué)生和訪客5類(lèi)，具備傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)對(duì)人員信息的新建、修改、查詢(xún)以及刪除功能。稍有不同的是，新建部分通過(guò)發(fā)卡或注冊(cè)方式錄入人員的相關(guān)信息，并根據(jù)人員類(lèi)型確定進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室以及使用實(shí)驗(yàn)室資源的權(quán)限（條件）。實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)可以進(jìn)入所有實(shí)驗(yàn)室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入硬件設(shè)備管理模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；實(shí)驗(yàn)室管理人員可以進(jìn)入所管轄的實(shí)驗(yàn)室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入各種管理模塊，對(duì)其管轄的實(shí)驗(yàn)室所有軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以進(jìn)入所帶實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入硬件設(shè)備管理模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；學(xué)生需在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前進(jìn)行注冊(cè)，當(dāng)有空閑實(shí)驗(yàn)臺(tái)、賬戶(hù)余額或免費(fèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)足夠、信譽(yù)積分達(dá)標(biāo)時(shí)，學(xué)生可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，只能對(duì)分配的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行操縱。信譽(yù)積分根據(jù)預(yù)約后是否爽約、是否惡意拖延實(shí)驗(yàn)時(shí)間、是否有意影響實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等行為由實(shí)驗(yàn)管理人員進(jìn)行評(píng)分；訪客在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前發(fā)臨時(shí)卡，劃卡出入，離開(kāi)時(shí)還卡，可根據(jù)需要，確定是否記錄訪客的相關(guān)信息，訪客對(duì)實(shí)驗(yàn)室所有軟、硬件系統(tǒng)不具備操縱權(quán)。通過(guò)對(duì)各類(lèi)人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的信息記錄，實(shí)現(xiàn)考勤管理。

2.2儀器設(shè)備管理

儀器設(shè)備管理模塊具備傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備信息的新建、修改、查詢(xún)以及刪除功能，在此基礎(chǔ)上，還增加了儀器設(shè)備使用的詳細(xì)記錄，以便由此自動(dòng)計(jì)算設(shè)備利用率。當(dāng)學(xué)生劃卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在通過(guò)身份驗(yàn)證后由系統(tǒng)分配指定的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)給學(xué)生，并給該實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源插座上電，系統(tǒng)自動(dòng)記錄該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所有儀器設(shè)備的使用起始時(shí)間；學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，再次劃卡注銷(xiāo)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所有儀器設(shè)備的使用結(jié)束時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出儀器設(shè)備使用的時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)需要可計(jì)算其利用率。

2.3硬件系統(tǒng)管理

硬件系統(tǒng)管理，主要是對(duì)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)：門(mén)禁系統(tǒng)和智能電源插座進(jìn)行管理，管理的對(duì)象還可進(jìn)一步擴(kuò)充到視頻監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)等，該模塊是區(qū)別于現(xiàn)有開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的核心模塊。

門(mén)禁系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和電源插座終端節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與程序服務(wù)器進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器通過(guò)串口進(jìn)行通信，其軟件流程圖如圖2所示。

應(yīng)用程序運(yùn)行后，首先對(duì)串口和電磁鎖及電源插座進(jìn)行初始化，然后等待任務(wù)事件發(fā)生。具體任務(wù)事件有以下幾類(lèi)：

（1）實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室管理人員和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師登錄信息管理系統(tǒng)后，直接發(fā)出指令控制電磁鎖和電源插座的開(kāi)關(guān)（可指定實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)或全部打開(kāi)和全部斷開(kāi)）。

（2）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為RFID數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行身份驗(yàn)證，若通過(guò)驗(yàn)證，則記錄是奇數(shù)次劃卡還是偶數(shù)次劃卡，以判斷是進(jìn)門(mén)還是出門(mén)。若是奇數(shù)次劃卡，則認(rèn)為是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步判斷人員身份，若是實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室管理人員和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師，則發(fā)出開(kāi)鎖指令、講臺(tái)和辦公桌電源打開(kāi)指令；若是訪客，則發(fā)出開(kāi)鎖指令；若是學(xué)生，再進(jìn)一步判斷是否滿足進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室條件（有空閑實(shí)驗(yàn)臺(tái)、賬號(hào)余額或免費(fèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)足夠、信譽(yù)積分達(dá)標(biāo)），若條件滿足，則分配實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)，發(fā)出開(kāi)鎖和打開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源指令。上述過(guò)程在發(fā)出開(kāi)鎖指令時(shí)，同時(shí)向門(mén)禁系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的人員提示信息，并記錄進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)間。若為偶數(shù)次劃卡，則認(rèn)為是離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，關(guān)閉相應(yīng)的電源插座，記錄人員離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間。若身份驗(yàn)證不通過(guò)，則只向門(mén)禁系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

（3）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為電源插座打開(kāi)狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，則顯示相應(yīng)插座的開(kāi)關(guān)信息。

（4）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為電源插座過(guò)流信息時(shí)，則發(fā)出關(guān)閉該插座電源指令，同時(shí)發(fā)出過(guò)流報(bào)警信息。

（5）當(dāng)程序服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為門(mén)打開(kāi)時(shí)間超時(shí)報(bào)警信息時(shí)，則發(fā)出門(mén)打開(kāi)超時(shí)報(bào)警信息。

（6）當(dāng)發(fā)出開(kāi)鎖指令5 s后，若門(mén)未被打開(kāi)，則發(fā)出關(guān)閉電磁鎖指令。

門(mén)禁系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的初始化狀態(tài)都是關(guān)閉，只有收到打開(kāi)的指令，相關(guān)人員才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。為防止停電后電磁鎖打不開(kāi)，可以配置備用電源，另外，還可以用鑰匙開(kāi)鎖。

3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用關(guān)系模型SQL Server 2005進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，并使用SQL語(yǔ)句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含實(shí)驗(yàn)室人員信息、實(shí)驗(yàn)室基本信息、儀器設(shè)備信息、硬件設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息、預(yù)約審批信息等多張表。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中有大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于表的設(shè)計(jì)應(yīng)特別注意，表的個(gè)數(shù)應(yīng)盡量減少，表中屬性應(yīng)盡量直觀，數(shù)量也要適中，各個(gè)表之間有關(guān)聯(lián)的情況也盡量做到精準(zhǔn)，這樣就可以保障對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的正確性。