實驗室無人值守自動控制管理系統(tǒng)的設(shè)計

徐維昌

(寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院,寧夏回族自治區(qū) 銀川 750021)

0　引言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)在數(shù)據(jù)處理、即時通信、自動控制等方面發(fā)揮著重要作用。作為計算機(jī)學(xué)習(xí)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，計算機(jī)上機(jī)試驗對加強(qiáng)學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解、提高學(xué)生的實際操作能力具有重要意義。

目前，為滿足學(xué)生上課需求，各高校均配有一定規(guī)模的計算機(jī)實驗室。一般情況下，每個實驗室都配備了大量計算機(jī)，而負(fù)責(zé)機(jī)房日常管理與維護(hù)的管理人員則較少(1～2名)。如管理人員管理不到位，將會造成資源的極大浪費(fèi)，甚至發(fā)生安全事故[1]。另外，課前考勤會占用部分課堂時間，影響課程進(jìn)度。為提高實驗室管理效率、減輕機(jī)房管理人員的工作壓力、減少因考勤占用的上課時間[2]，本文設(shè)計了一種基于STC89C52單片機(jī)和主機(jī)服務(wù)器的計算機(jī)實驗室無人值守自動控制管理系統(tǒng)，用于實驗室無人管理以及學(xué)生考勤。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

實驗室無人值守自動控制管理系統(tǒng)以STC89C52和計算機(jī)主機(jī)服務(wù)器為控制核心，主要分為電子門禁模塊、電源控制模塊、監(jiān)控模塊以及射頻識別(radio frequency identification，RFID)考勤模塊。此系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對實驗室學(xué)生的考勤及信息采集功能、主機(jī)服務(wù)器及計算機(jī)自動開關(guān)機(jī)功能、室內(nèi)照明自動開關(guān)功能。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作原理圖Fig.1　Schematic diagram of the system

1.1　電子門禁模塊

當(dāng)前，實驗室普遍采用機(jī)械門鎖進(jìn)行管理，由實驗室管理人員掌管鑰匙。如發(fā)生鑰匙丟失或管理人員不在場，則教學(xué)員將無法進(jìn)入實驗室。這將影響教學(xué)安排，降低實驗室的利用效率[3]。為防止這類情況發(fā)生，可采用電子門禁管理。電子門禁模塊由電子門鎖控制模塊和電源自動控制模塊組成。

電子門鎖模塊控制實驗室門的開啟和關(guān)閉。電子門鎖模塊以STC89C52單片機(jī)為主控制芯片，LCD1602為顯示單元，AT24C08為存儲單元，蜂鳴器為報警裝置。

電子門禁模塊在使用前，由系統(tǒng)管理員將學(xué)校課表以及當(dāng)前課時的上課教師和學(xué)生信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，同時在數(shù)據(jù)庫添加相應(yīng)的觸發(fā)器。只有當(dāng)學(xué)生或教師在上課時段刷卡，該模塊才會啟動。而維修人員的信息已錄入數(shù)據(jù)庫中，刷卡后，電子模塊即自動啟動。

當(dāng)電子門禁模塊工作時，學(xué)生和教師通過刷卡將自己的信息錄入，由計算機(jī)服務(wù)器對刷卡錄入信息和數(shù)據(jù)庫存儲信息進(jìn)行比對。若兩者匹配，電子門禁打開，并記錄刷卡者的信息；若兩者不匹配，則系統(tǒng)會啟動蜂鳴器進(jìn)行報警。另外，如需修改已錄入的上課教師或?qū)W生信息，必須由系統(tǒng)管理員進(jìn)行更改。

若無法刷卡，則電子門禁模塊不會啟動。為了更好地實現(xiàn)實驗室管理，在開發(fā)系統(tǒng)時，設(shè)計了相應(yīng)的手動模式來實現(xiàn)整個機(jī)房的電源管理和門禁管理。即在上、下課時，管理員可按下電源啟動控制按鈕實現(xiàn)手動上電和斷電，按下門禁開關(guān)實現(xiàn)手動打開實驗室門。

電子門禁打開后，單片機(jī)控制繼電器動作，使室內(nèi)照明設(shè)備、計算機(jī)等用電設(shè)備上電，在一定程度上節(jié)省了學(xué)生及老師的課前準(zhǔn)備時間[4]。為防止因繼電器動作瞬間電流較大對單片機(jī)產(chǎn)生影響，本設(shè)計采用光耦模塊，對控制電路與繼電器模塊進(jìn)行隔離，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2　RFID刷卡模塊

RFID刷卡模塊主要由RFID讀卡器、RFID個人身份識別卡等組成。每一個進(jìn)入實驗室的人員都要通過刷卡才可以進(jìn)入[5]。RFID數(shù)據(jù)采集模塊是整個考勤系統(tǒng)中非常重要的組成部分。為便于考勤，系統(tǒng)采用非接觸式IC卡[6]。RFID刷卡模塊主要對當(dāng)前上課學(xué)生進(jìn)行考勤，即通過刷卡模塊對上課學(xué)生以及教師信息進(jìn)行錄入，與已存入數(shù)據(jù)庫的當(dāng)前課程進(jìn)行比對。若信息一致，則證明這個學(xué)生或老師已考勤；若信息不一致，則蜂鳴器會自動報警。在考勤完畢后，計算機(jī)服務(wù)器將會比對數(shù)據(jù)庫信息和學(xué)生刷卡錄入信息，并打印出未上課的學(xué)生名單。

1.3　監(jiān)測控制模塊

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控流程如圖2所示。

圖2　監(jiān)控流程圖Fig.2　The monitoring flowchart

監(jiān)測控制模塊用于對室內(nèi)學(xué)生狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[7]。該模塊在學(xué)生上課時，進(jìn)行實時掃描監(jiān)控；在學(xué)生下課時，進(jìn)行不間斷檢測。若是實驗室5 min內(nèi)沒有移動物體，傳感器就會發(fā)出控制信號，由單片機(jī)進(jìn)行控制，即將上電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷電狀態(tài)，以實現(xiàn)自動關(guān)機(jī)。為了使系統(tǒng)更人性化，設(shè)計了二次檢測。通過移動物體傳感器掃描是否還有學(xué)生上機(jī)，若是5 min內(nèi)還有學(xué)生在上機(jī)，語音模塊會提醒學(xué)生已下課，5 min后機(jī)房會自動斷電并鎖門;5 min后進(jìn)行第二次檢測，若仍有學(xué)生在上機(jī)，語音模塊再播放一遍，等待5 min后，系統(tǒng)會自動啟動電子門禁，實現(xiàn)自動斷電后鎖門。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1　考勤系統(tǒng)管理軟件

主機(jī)服務(wù)器通過考勤管理系統(tǒng)接收RFID上傳的數(shù)據(jù)信息，包括教師信息和學(xué)生信息[8]。

考勤管理系統(tǒng)軟件以Visual studio 2012作為開發(fā)平臺，通過C++語言進(jìn)行軟件開發(fā)，采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)主要采用刷卡的方式來進(jìn)行考勤管理，而非現(xiàn)在流行的指紋考勤[9]。在設(shè)計考勤軟件時，主要將參與者分為三類，分別是管理員、教師和學(xué)生[10]。在RFID刷卡時，根據(jù)參與者的不同，所持卡的顏色及其權(quán)限也不同。系統(tǒng)管理員主要負(fù)責(zé)對課程的導(dǎo)入、對應(yīng)教師信息和學(xué)生信息的導(dǎo)入及對教師賦權(quán)。

任課教師考勤時，通過登錄服務(wù)器網(wǎng)頁，可在考勤軟件主界面上查閱教師編號、教室內(nèi)應(yīng)到學(xué)生人數(shù)、當(dāng)前已刷卡學(xué)生的人數(shù)和對應(yīng)信息，如學(xué)生序號、學(xué)生學(xué)號、姓名、登錄時間等。同時，系統(tǒng)會使用不同顏色顯示學(xué)生狀態(tài)；紅色為未到狀態(tài)；綠色為已到狀態(tài)。考勤界面留有任課教師操作按鈕，可以選擇開啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、生成缺勤名單，并且可以修改登錄密碼、查看上機(jī)情況、退出軟件等。

學(xué)生在考勤時，只需刷卡便可。通過RFID刷卡系統(tǒng)進(jìn)行刷卡后，持卡人的信息會上傳、保存到數(shù)據(jù)庫，并與當(dāng)前時段上課學(xué)生信息進(jìn)行比對，若信息正確，則將學(xué)生當(dāng)前狀態(tài)由未到變更為已到。系統(tǒng)采用SQL Server 2008建立數(shù)據(jù)庫，學(xué)生考勤記錄表如表1所示。

表1　學(xué)生考勤記錄表Tab.1　Attendance records of students

2.2　定時自動關(guān)機(jī)插件

由于機(jī)房計算機(jī)數(shù)量多，很多學(xué)生下課后會忘記關(guān)閉計算機(jī)，造成了極大的能源浪費(fèi)?？紤]到此問題，本文設(shè)計了相應(yīng)的定時自動關(guān)機(jī)插件。

此插件對所計算機(jī)的鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行監(jiān)控。若鼠標(biāo)或者鍵盤5 min內(nèi)沒有進(jìn)行輸入操作，則對計算機(jī)進(jìn)行鎖屏，并且提示30 s內(nèi)是否要自動關(guān)機(jī)；若計算機(jī)前無任何學(xué)生，則在30 s后實現(xiàn)自動關(guān)機(jī)，以達(dá)到節(jié)能的目的。

3　結(jié)束語

無人值守自動控制管理系統(tǒng)作為一個實用性的新興項目，在石油、氣象等領(lǐng)域已有多方面的設(shè)計和應(yīng)用。本文將無人值守與實驗室管理相結(jié)合，既減輕了實驗室管理的壓力、提高了工作效率，又為學(xué)校節(jié)約了人力資源和電能。本項目已得到實際應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好。當(dāng)然，隨著程序語言和計算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，本文所設(shè)計的實驗室無人值守自動控制管理系統(tǒng)也將不斷得到完善。

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