基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧旭， 祁偉， 溫宗禮

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 自動化學(xué)院,廣州 510665)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧旭， 祁偉， 溫宗禮

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 自動化學(xué)院,廣州 510665)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)技術(shù)對各行各業(yè)的信息化、智能化管理起到巨大推動作用。在簡要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)，闡述了整個系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和工作流程。該系統(tǒng)由自動測評系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)及信息管理系統(tǒng)3個部分組成，分別對應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。該系統(tǒng)的應(yīng)用可有效地提升電工考證管理工作的效率和質(zhì)量。

電工考證； 物聯(lián)網(wǎng)； 自動評測； 信息管理

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，電氣設(shè)備發(fā)展迅速，作為技術(shù)工種的電工就業(yè)前景十分廣闊，幾乎所有的企業(yè)都離不開電工[1]。國家規(guī)定特種作業(yè)操作人員必須要做到持證上崗，電工特種作業(yè)操作證的作用相當(dāng)于上崗證，主要證明持證人具有電工安全操作的知識和能力。近年來，報(bào)考電工的人數(shù)持續(xù)上升，傳統(tǒng)的人工測評和手寫手記的考證方式已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前巨大規(guī)模的電工考評需求了。為了提高相關(guān)考務(wù)及管理人員的工作效率，采用智能化的考證系統(tǒng)十分必要。

電工考證的考核內(nèi)容包括筆試和實(shí)操考試，實(shí)操考試通常包括工具使用、設(shè)備安裝、線路連接等幾個部分。在線路連接這一實(shí)操考核中，涉及到較為復(fù)雜的電路的連接和分析。現(xiàn)有評測方法是在考生完成接線之后，由考評員人工評測，依照考評員的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，判斷電路連接的正確性和有效性。在考試結(jié)束后，考生成績通常由考評員人工記錄下來，考評人員再將紙質(zhì)版成績匯總表上交到考證管理部門，再由管理部門統(tǒng)一錄入成績管理系統(tǒng)。這樣的做法存在一些問題，如考評員勞動強(qiáng)度大，工作效率低，測評存在主觀性，公平公開性不強(qiáng)，成績易錄錯等。

物聯(lián)網(wǎng)指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動的、實(shí)時的對物體進(jìn)行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件[2,3]。本文設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電工考證的智能化自動評測，以及評測成績的自動統(tǒng)計(jì)、上傳。系統(tǒng)可有效解決以上存在的問題，旨在提高考證效率和考試的公平、公正性，減少人為主觀影響，考試結(jié)束后自動記錄成績并即時上傳管理系統(tǒng)，減輕了考務(wù)人員的工作負(fù)擔(dān)，降低了測評成本。考生可以在最短時間里了解自己的考試成績，有效地提高了電工考證測評和管理工作的信息化、規(guī)范化和科學(xué)化。

1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)由下至上可分為3個層次：第一層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層，第三層是與行業(yè)需求相結(jié)合的應(yīng)用層，其體系結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖

在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型中，感知層位于底層，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是聯(lián)系物理世界與虛擬世界的紐帶。感知層的作用相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等神經(jīng)末梢，主要功能是信息感知、采集與控制[4]。感知層的感知設(shè)備包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M、終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是利用各種通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳遞。網(wǎng)絡(luò)層采用各種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)備，如接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)、接入移動通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸。因?yàn)檫@些設(shè)備具有較強(qiáng)的硬件支撐能力，所以可以采用相對復(fù)雜的軟件協(xié)議設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息的合理傳輸。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。根據(jù)用戶需求，應(yīng)用層構(gòu)建面向各類行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的管理平臺和運(yùn)行平臺，并根據(jù)各種應(yīng)用的特點(diǎn)集成相關(guān)的內(nèi)容服務(wù)。為了更好地提供準(zhǔn)確的信息服務(wù)，必須結(jié)合不同行業(yè)的專業(yè)知識和業(yè)務(wù)模型，以完成更加精細(xì)和準(zhǔn)確的智能化信息管理。其應(yīng)用包括智能交通、綠色農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、手機(jī)錢包、智能家電、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控等[5]。

2 電工考證評測及管理物聯(lián)系統(tǒng)

與物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)一樣，本文設(shè)計(jì)的電工考證測評及管理物聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)也分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層，分別對應(yīng)自動評測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)、信息管理系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

(1)感知層

感知層主要指自動評測系統(tǒng)，即完成實(shí)操考試中線路連接部分的現(xiàn)場評測及考場監(jiān)控。感知層的信息感知設(shè)備主要包括檢線器、攝像頭、編碼器、RFID電子標(biāo)簽以及閱讀器等。自動評測系統(tǒng)主要包括動力自動檢線與評測子系統(tǒng)、照明自動檢線與評測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)。

動力自動檢線與評測子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一個直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路的評測，判斷其接線是否正確。照明自動檢線與評測子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一個雙聯(lián)開關(guān)控制照明燈電路的評測，判斷其接線是否正確。視頻監(jiān)視子系統(tǒng)主要完成考場的監(jiān)控功能，監(jiān)控設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)化攝像頭，監(jiān)控視頻通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時查看和存儲的功能。

動力自動檢線與評測子系統(tǒng)和照明自動檢線與評測子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自動檢線和測評子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其主控器是一個單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器的I/O口連接檢線器、編碼器、RFID閱讀器等。檢線器用于判斷每條需要檢測的線路的連接情況，編碼器在動力自動檢線與評測子系統(tǒng)中用于檢測電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，RFID用于識別和讀取考生身份信息。單片機(jī)控制器通過ZigBee通信模塊將測評結(jié)果無線傳輸至同樣裝有ZigBee通信模塊的現(xiàn)場上位機(jī)，上位機(jī)再通過網(wǎng)絡(luò)層將測評數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用層的信息管理系統(tǒng)。

(2)網(wǎng)絡(luò)層

支撐網(wǎng)絡(luò)層的主要技術(shù)有各種有線、無線通信技術(shù)，如移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信接口技術(shù)等。在電工考證測評及管理物聯(lián)系統(tǒng)中，采樣無線和有線相結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層傳輸。

在現(xiàn)場控制器和上位機(jī)的通信中，我們采用物聯(lián)網(wǎng)短距離無線通信技術(shù)ZigBee，每個考場僅需一臺上位機(jī)，對應(yīng)多套自動評測子系統(tǒng)，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用使感知層現(xiàn)場測評設(shè)備的部署更加方便。

在上位機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的連接中，我們根據(jù)考場現(xiàn)場情況選擇使用有線或無線WiFi技術(shù)。通過互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，數(shù)據(jù)送達(dá)考證管理部門的信息中心，信息中心部署有網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)的通信和處理。

(3)應(yīng)用層

應(yīng)用層主要指網(wǎng)絡(luò)化的電工考證信息管理系統(tǒng)，完成考證信息和數(shù)據(jù)的上傳、統(tǒng)計(jì)和管理等功能。

信息管理系統(tǒng)包括考評員信息與權(quán)限管理子系統(tǒng)、考評自動統(tǒng)計(jì)與信息上傳子系統(tǒng)、以及考場監(jiān)控子系統(tǒng)。

考評員信息與權(quán)限管理子系統(tǒng)包括考評員注冊模塊、考評員信息管理模塊、考評員權(quán)限管理模塊，實(shí)現(xiàn)考評員身份信息、考務(wù)任務(wù)、評測權(quán)限等的管理。其結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 考評員信息與權(quán)限管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考評自動統(tǒng)計(jì)與信息上傳子系統(tǒng)包括考生信息管理模塊、成績評定模塊、成績統(tǒng)計(jì)模塊、報(bào)表生成模塊、信息上傳模塊，實(shí)現(xiàn)考生身份信息管理、評測結(jié)果上傳、考試成績管理等功能。其結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 考評自動統(tǒng)計(jì)與信息上傳子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)工作流程

基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)的簡要工作流程如下：

(1)考生刷RFID標(biāo)簽卡開始考試，進(jìn)行直流電機(jī)正反

轉(zhuǎn)控制電路或雙聯(lián)開關(guān)控制照明燈電路的線路連接；

(2)接線結(jié)束后啟動動力自動檢線與評測子系統(tǒng)或照明自動檢線與評測子系統(tǒng)進(jìn)行評測；

(3)評測成績通過ZigBee無線模塊自動上傳到現(xiàn)場上位機(jī)；

(4)考評員在上位機(jī)上利用信息管理系統(tǒng)將考生成績通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行提交；

(5)提交的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫內(nèi)；

(6)考證管理部門利用信息管理系統(tǒng)管理考評員信息、管理考生信息、查看考場現(xiàn)場情況、查看考試成績、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)信息化、自動化的測評及管理系統(tǒng)是電工考證管理工作的當(dāng)務(wù)之急。本文通過對物聯(lián)網(wǎng)的研究和分析，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電工考證自動評測及管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)各層次有機(jī)構(gòu)成，各子系統(tǒng)及其內(nèi)部各層次之間互相通信、相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)電工考證工作的高效管理。

[1] 黃鳳記. 基于電工考證的五年制高職電氣自動化專業(yè)教學(xué)策略[J]. 廣西教育,2015(7):143-144.

[2] 單娟. 全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及中國物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)若干思考[J]. 電子學(xué)報(bào), 2016, 38(7):2590-2599.

[3] Gubbi J, Buyya R, Marusic S, et al. Internet of Things (IoT): A Vision, Architectural Elements, and Future Directions[J]. Future Generation Computer Systems, 2013, 29(7):1645-1660.

[4] 劉化君. 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(1):78-80.

[5] 張興華,韓利凱. 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].科技廣場,2013(7):119-122.

Design of Automatic Evaluation and Management System for Electrician Certificate Test Based on IoT

Lu Xu, Qi Wei, Wen Zongli

(College of Automatization, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

Internet of Things (IoT) plays a vital role in informationalized and intellectualized management of all application areas. Based on a brief introduction to the concept and architecture of IoT, an automatic evaluation and management system for electrician certificate test based on IoT is presented, and the structure and workflow of the whole system are described. The system is composed of three parts: automatic evaluation system, data communication network and information management system, which are correspond to the sensing layer, network layer and application layer of IoT, respectively. This system can be used to enhance the efficiency and quality of management for electrician certificate test.

Electrician certificate test; IoT; Automatic evaluation; Information management

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A010103014)；廣東普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2014KQNCX178)

盧 旭(1986-)，男，江西修水人，副教授，博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。 祁 偉(1964-)，女，山東陵縣人，教授，碩士，研究方向：檢測與過程控制。 溫宗禮(1975-)，男，廣東清遠(yuǎn)人，實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向：過程自動化。

1007-757X(2017)06-0001-02

TP399

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2017.03.04)