基于嵌入式系統的創新實驗室管理系統設計與實現*

張 鋒，馬學朝，李凱亮（廣東石油化工學院，廣東　茂名 525000）

基于嵌入式系統的創新實驗室管理系統設計與實現*

張 鋒，馬學朝，李凱亮
（廣東石油化工學院，廣東茂名 525000）

針對電信學院當前創新實驗室的現狀，結合先進的嵌入式技術和計算機網絡技術，采用B/S模式與C/S模式結合的方法，設計了一套分布式、網絡化的創新實驗室管理系統。該系統的開發提高了管理效率，節約了人力資源，降低了信息化的成本，使創新實驗室在時間和空間上得以延伸，對創新實驗室建設有一定實際意義。

創新實驗室；射頻識別技術；ZigBee；管理系統

0　引言

目前我校提出了創新強校的辦學理念，大學生科技創新是電信學院的一個重要品牌，專門建立了大學生創新實驗室。近幾年電信學院大學生科技創新活動風生水起，在各大競賽活動中屢創歷史新高。但是存在實驗室空間少，實驗室管理工作及信息處理基本是人工完成等不足，造成了信息資源不能共享、管理混亂，沒有實現創新實驗室應有的功能。

創新實驗室管理系統是針對電信創新實驗室管理而設計開發的，基于數據庫的實驗室網絡化綜合管理系統提供了資源共享、實驗預約、實時監控、資產管理、實驗考勤管理等功能［1］。該系統的開發既提高了管理效率，又可以節約人力資源，降低信息化的成本，使實驗室在時間和空間上得以延伸，同時對擴展并加快信息化建設具有實際意義。

1　系統總體設計

系統整體采用B/S結構體系，各設備間通過局域網相互連接，用戶使用瀏覽器完成網上教學管理和辦公等操作［2］。實驗室管理部分結合C/S模式開發了實驗室門禁軟件，客戶端PC通過采集讀卡器獲取的信息自動完成學生身份認證［3］，記錄到達和離開實驗室時間，并實時監控整個實驗室的情況。

系統由智能讀卡器、數據庫服務器、Web服務器和終端PC構成。系統整體框圖如圖1所示。

圖1　系統整體框圖

1.1門禁系統的設計

門禁管理子系統依托射頻識別技術和 ZigBee通信技術實現與上位機無線通信，采用Qt Creator編寫的上位機實現了簽到無紙化及無人值班化。門禁系統主要由射頻識別（RFID）模塊、ZigBee無線模塊、掉電保護模塊以及上位機組成［4］，結構框圖如圖 2所示。其工作流程是：ZigBee無線模塊把 RFID讀卡器讀取的 IC卡上的學生信息通過串口上傳給上位PC，PC通過對數據庫操作實現自動門禁控制以及對檔案的操作。

圖2　門禁系統的系統框圖

1.2管理系統設計

實驗室網站管理系統下設實驗室門戶、實驗教學管理、設備管理和實驗室管理4個子系統，其結構圖如圖3所示。

圖3　實驗室管理系統結構圖

（1）網站門戶：主要是供學生了解實驗室最新動態，共享實驗室資源，展示學生的作品，以此來提高學生創作的興趣，實驗室論壇則是一個促進學生交流互動的專區［5］。

（2）實驗教學管理：將創新實驗室空間網絡化，自動采集學生預約、實時監控等的全部數據，并實現教師對創新實驗室實時智能管理等功能。

（3）設備管理：主要實現設備的檔案管理、設備使用記錄等各類報表的報批功能。

（4）實驗室管理：能夠自動統計各實驗室的使用記錄，同時可通過記載學生累計上機學習時間來考察學生自主學習的能動性。

1.3數據庫設計

本系統是為學校學生而開發的程序，需要充分考慮成本及用戶需求（如跨平臺）等問題。MySQL是目前最為流行的開放源碼的數據庫，是完全網絡化的跨平臺的關系型數據庫系統［6］，正好滿足了學校用戶規模不大的需求，因此本系統采用MySQL數據庫。

根據對系統所做的需求分析，規劃出本系統中使用的數據庫實體分別為學生檔案實體、教師實體、管理員實體、實驗室實體、設備實體和實驗課程預約實體等［7］。下面介紹兩個關鍵實體的E-R圖。

（1）學生檔案實體

學生檔案實體包括編號、姓名、學號、性別、聯系電話、電子郵件、所屬班級和備注等屬性。學生檔案實體的E-R圖如圖4所示。

圖4　學生檔案E-R圖

（2）教師檔案實體

教師檔案實體包括編號、姓名、性別、聯系電話、電子郵件和備注等屬性。教師檔案實體的E-R圖如圖5所示。

圖5　教師檔案E-R圖

2　系統實現

2.1實驗室門戶的實現

（1）實驗室動態的實現

實驗室為學生和老師提供查看動態頁面，可以瀏覽最新的信息，也可以查看以前的動態信息，動態的更新則是在后臺由管理員來操作。在數據庫中建立一個專門用來存放動態信息的數據表，只有管理人員才能進入后臺管理系統實現新增和修改操作，相應的SQL語句則對應Insert操作和Update操作。

（2）作品展示的實現

在作品展示模塊，學生可以自由地上傳自己的作品，不過需要管理人員的審核，只有符合審核標準的作品才會保留下來并展示在頁面上。上傳作品圖片的操作需 要 調 用move_uploaded_file（$_FILES［"image"］［" tmp_name"］［$i］，$filepath）方法，其中參數 1為圖片資源，參數2則是上傳到服務器的指定路徑。

（3）資源下載的實現

考慮到實驗室資源可能較多，針對資源的類型做了詳細的分類，這樣可以使用戶更易于尋找自己想要的資源。資源上傳的功能與作品展示差不多，只是操作由管理人員來完成。

（4）實驗室論壇

實驗室論壇是一個交流互動的平臺，學生可以在上面發表自己的建議和想法，也可以是相關疑問，不過都必須與實驗相關。學生發表內容后需要管理人員審核。

2.2實驗教學管理的實現

（1）實驗室預約的實現

實驗室預約可以在最大程度上解決實驗室緊缺問題，學生也能根據自己需要來選擇實驗室［8］。實驗室預約按照教師提供的可選課時來選擇，如果沒有可選課時，則表示此實驗室為不可預約，系統中通過一個字段來表示課時信息。這里沒有遵循數據庫的設計規范標準，主要是考慮代碼實現的方便性以及此設計不影響可擴展性，這個字段使用0和1加特殊符號來表示，0表示當前的課時不可以預約，1則表示可以預約，查看實驗室是否可以預約也很方便，只需要檢索此字段中是否有1存在即可。學生在操作預約的同時系統也統計已經預約的學生數量，與實驗室可容納的學生數量進行對比，如果當前人數少于可容納數量，則學生可以進行預約操作，否則預約將會被拒絕。

（2）預約統計的實現

預約統計實現了未來一周內各個實驗室的預約情況及歷史預約記錄兩個內容。

實現未來一周內的統計需要結合系統的當前時間加以判斷，在數據庫中創建數據表存儲相應信息，包括預約人（這里指學生）、預約實驗室和預約時間等，對應的數據表結構如表1所示。

表1　學生與實驗室關聯表

（3）實驗成績查詢的實現

成績是由教師進行錄入的，相應的系統實現了一個教師錄入模塊，將對應的學生實驗成績錄入到數據庫中，這樣學生便可登錄此管理系統查詢到自己的成績了。

2.3設備管理子系統的實現

設備管理主要包括新進設備的數據錄入、設備維護及報廢設備的處理［9］。

（1）新進設備

設備的數據錄入在數據庫中對應了一張數據表lab_equipment，操作只能由管理人員來完成，相應的 SQL語句則對應Insert操作。

（2）設備維護

設備維護指的是設備的維修與保養，每當設備需要維護與保養時，則在數據庫中對應添加一條記錄信息，用來保存維護設備需要的費用、器材等，以便日后查看，相對的 SQL語句也是對應 Insert操作。

（3）設備報廢

設備報廢記錄表包括了報廢設備標識、數量等，當有設備報廢時則對應設備表中的記錄做減1操作，SQL語句對應 Update操作。

2.4實驗室管理子系統的實現

當符合射頻讀寫器天線工作頻率的IC卡電子標簽接近讀寫器天線的有效查詢范圍時，讀寫器不斷地發送讀卡命令，若有符合規定標準的射頻標簽進入天線識別范圍，便讀出其卡號，包括防沖突讀卡號、讀標簽數據區，并通過蜂鳴器給出刷卡成功的信號；同時發送該卡的卡號至上位機，由上位機將其與數據庫的記錄數據進行比對，判斷是否為合法用戶并返回下位機的電磁鎖是否開信息。通過 ZigBee無線模塊返回操作指令至射頻識別模塊，從而完成開門、簽到和檔案操作［10］。掉電工作模塊在正常供電時不工作，只有在失去正常供電電源時才為射頻識別模塊以及 ZigBee無線模塊供電，保證了系統在掉電時仍然可以工作。ZigBee無線模塊負責數據傳送，實現數據無線傳輸，避免了鋪設大量的信號線，同時使系統運行在電池供電狀態時節省更多電量，使系統運行時間更久。各個模塊之間的通信都采用異步半雙工方式，波特率固定設置為9 600 bit/s。

上位機軟件有簽到和檔案管理兩個子模塊。當使用簽到模塊時，軟件開始監測對應計算機串口數據，并將所得到的卡號數據與數據庫匹配，數據庫驗證權限成功則返回簽到成功指令以及開門權限指令，同時等待下一個卡號數據的到來。檔案管理模塊可以將持卡人信息添加到數據庫里，支持信息的添加、修改、刪除以及多條件檢索，并且可以選擇是否給予該持卡人開門的權限。

3　結論

創新實驗室管理系統的開發實現了創新實驗室資源共享、宏觀監控，充分調動了學生的學習積極性和學習潛能，提高了學生的自學能力和實踐能力，提高了實驗室資源的利用率，提高管理人員對創新實驗室的管理水平，緩解了各種矛盾和壓力，有利于綜合性、設計性、創新性實驗項目的開展，培養出高質量的應用型人才，不斷促進創新實驗室的全面發展。

［1］徐思東.基于網絡化的材料力學實驗數據管理系統的開發［J］.科技文匯，2011（1）：58-59.

［2］劉紅梅.基于C-S和 B-S體系結構應用系統的開發［J］.計算機與現代化，2007（11）：52-54，57.

［3］佟穎，白海會，吳曉榮.實驗室信息管理系統的設計與實現［J］.現代教育技術，2008（2）：101-104.

［4］劉牮，俎立峰.基于 ARM和射頻識別技術的門禁系統設計［J］.微計算機信息，2010，26（1）：101-102.

［5］龍云，蕭仲敏，郭青，等.高校開放實驗室網絡論壇的設計與實現 ［J］.實驗室科學與技術，2013，11（3）：140-141，142.

［6］郭珍，王國輝.JSP程序設計教程（第2版）［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［7］王嵐.數據庫系統原理［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［8］王妍，孫德兵.高校智能實驗室管理系統開發與實踐［J］.實驗室技術與管理，2010，27（6）：105-108.

［9］吳良，鄒志宏，吳文華，等.智能實驗室管理系統的開發與實踐［J］.實驗室研究與探索，2012，31（5）：169-172.

［10］楊玲，徐曼.基于ZigBee技術的無線射頻識別系統硬件設計［J］.哈爾濱理工大學學報，2012，17（3）：65-68.

Design and implementation of the management system for innovation laboratory based on embedded system

Zhang Feng，Ma Xuechao，Li Kailiang
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

In view of the present situation of the innovation laboratory of the telecommunication institute，combining with the advanced embedded technology and computer network technology，combining B/S model with C/S model，this paper designs a distributed and networked management system for innovation laboratory.The development of this system can improve management efficiency，save human resources，and reduce the cost of information；the innovation laboratory can be extended in time and space，and has certain practical significance for the construction of the innovation laboratory.

innovation laboratory；RFID；ZigBee；management system

TP39

A

1674-7720（2015）02-0097-03

廣東省高等教育教學改革工程項目（BKZZ2011041）；廣東省高等教育教學成果獎培育項目（201139277）；廣東省高等學校教學質量與教學改革工程項目（201237，201261）；廣東石油化工學院教研項目（204925）

（2014-09-05）

張鋒（1979-），男，碩士，實驗師，主要研究方向：嵌入式與物聯網技術。