智能開放式實驗室現場管理系統的設計和實踐

吳琦 肖李文 茍燕 何裕琨

（四川工商職業技術學院 四川省都江堰市 611830）

1 開放式實驗室現場管理系統的建設背景及功能需求分析

1.1 開放式實驗室現場管理系統的建設背景

開放實驗室的建立，是為了學生能夠方便、自主的學習，進行一系列的實踐創新[1]。國內本科院校在實驗室開發及管理上做了很多嘗試，例如：天津理工大學提出了基于學科競賽驅動的實驗室開放模式。不但有效地提高了實驗室開放質量，而且在學生的實踐能力和創新精神培養與發展上發揮了重要作用[2]；東北農業大學提出了教學與科研實驗室協同開放的管理和運行機制[3]；西安電子科技大學提出了借助校企聯合培養基地加大實驗室開放舉措，構建學生自主管理新模式[4]。但目前大多數高職院校的實驗室開放程度都很低[5]，面向創新實踐已經不能滿足師生的進一步需求，要提高實驗質量、提升實驗室建設水平，實現資源的合理配置、高效共享, 則必須實行實驗室的有效開放。[6]

1.2 開放式實驗室現場管理系統的功能需求

在實驗室開放的過程中，除了要考慮實驗室安全因素之外，還有多種因素直接影響了實驗室開放的程度，例如：實驗室同一時間段為多少學生開放，學生怎么才能獲得進入實驗室的資格，實驗室現場是否要人值守，如果實驗室現場無人值守又怎樣對學生資格進行審核和判定，學生進入實驗室后又能有多少時間進行實踐，如果學生超時實驗室現場又怎么處理，怎么保障實驗過程中學生的人身安全和實驗室的設備儀器安全等等。

以我校智能開放式實驗室管理系統為例，針對以上因素，將開放式實驗室管理分為了實驗室管理平臺和現場管理系統兩大部分，其中實驗室管理平臺主要實現學生用戶的在線人臉注冊，對實驗室區域預約狀態的在線查詢，預約實驗項目的在線填寫等功能。

開放式實驗室現場管理系統則主要需要實現四大功能：

（1）學生在線預約的信息對接，包括：學生人臉信息、預約時間、預約實驗區域等；

（2）預約時間段內，學生現場的人臉識別；

（3）預約實驗區域的信息化管理，包括：電源管理、設備管理等；

（4）實驗室各區域運行狀態的實時監控，包括：實驗區域、實驗人員、實驗設備等。

圖1：開放式實驗室現場管理系統架構圖

2 開放式實驗室現場管理系統的整體架構

2.1 開放式實驗室現場管理系統的架構設計

開放式實驗室現場管理系統主要由核心處理器、觸摸屏、攝像模塊、數據存儲模塊、網絡通信模塊、門控模塊、實驗區域電源管理模塊以及供電電路多個部分組成，如圖1 所示。

其中，系統用stm32 作為中央處理單元，主板由電源電路提供12V 供電，通過驅動接口電路實現攝像頭和RGBTFTLCD 液晶屏的控制，攝像頭用于人臉識別，液晶屏用于人臉圖像識別結果顯示，下位機系統與上位機的數據通信采用TCP 網口方式進行，存儲單元由SD 卡和FlashROM 組成用于圖像、通信數據的存取，門禁控制和實驗區域電源管理實現實驗室現場的智能管理。

2.2 開放式實驗室現場管理系統的主要元器件選型分析及電路設計要點

本系統的核心處理芯片既需要快速進行圖像采集和識別，又需要高速與上位機進行數據通信。市場上主流的處理芯片主要有單片機、FPGA、ARM 等，其中單片機應用廣泛，成本低廉，但速度和數據處理能力較低；FPGA 速度和數據處理能力好，但編程復雜；ARM 近幾年應用大幅增加，速度和數據處理能力較好，成本較低。本系統結合價格因素，考慮到系統數據處理量較大、需要具備TCP 網口通信功能，因此選用ST 公司的ARM?Cortex?-M7 系列的STM32F767IGT6 芯片，該芯片最大的工作頻率可達216MHz，還支持圖像格式轉換功能，在數據處理以及算法運算速度的性價比較高，能滿足本系統的設計需求。

本系統的攝像模塊選用OV5640，該模塊像素為500 萬，能夠獲取更清楚的信息，而且攝像頭的幀率能最大增大到60fps，還有自動曝光、自動白平衡、自動對焦等多項功能，能滿足本系統的圖像錄入設計要求。本系統的內存和存儲芯片分別采用W9825G6KH芯片和W25Q256 芯片，其中W9825G6KH 是一種高速同步動態隨機存取存儲器（SDRAM），提供高達200M 字節的數據帶寬和高達200MHZ 的頻率，而W25Q256 是一種串行通信的Flash Rom，存儲空間為256Mbit，擦寫周期多達10 萬次，最高時鐘頻率可達 104MHz，具有20年的數據保存期限，兩款芯片能滿足本系統的運行和存儲要求。

本系統的核心板是采用STM32F767IGT6 單片機作為主體，用來控制攝像頭的數據傳輸，內存的分配以及保存，RGB 屏的顯示等功能。本系統的驅動接口電路主要涉及攝像驅動和液晶驅動兩大部分。其中，攝像驅動部分，采用Ov5640 攝像頭作為圖像的采集，采用DVP 輸出接口接收外部 CMOS 攝像頭模塊發出的高速數據流，攝像驅動部分的供電電壓為3.3V；液晶驅動部分，采用7 寸RGB TFTLCD 作為信息的顯示，可支持5 點同時觸摸，液晶供電部分采用外部5V 供電。本系統的網絡通信模塊，采用支持10MbPS（10BASE-T） 和100MbPS（100BASE-TX）操作的LAN820A/LAN820AI 芯片作為數據傳輸核心，主要實現與上位機平臺的TCP網線通信。

3 開放式實驗室現場管理系統的軟件設計

現場管理系統采用Keil 公司推出的Keil MDK v5 版本作為開發環境，軟件主要包括人臉識別、網絡通信、現場管理三大部分，其主要功能的設計如下。

3.1 人臉識別功能的軟件設計

現場管理系統的人臉識別軟件主要實現對學生在開放式實驗室管理平臺錄入的人臉信息與現場拍攝采集的人臉信息進行對比，判斷是否有預約以及是否在預約時間段的現場審核功能，主要流程為：當學生來到實驗門口，LCD 觸摸屏判斷是否觸摸了LCD 屏→LCD觸摸后，觸發人臉識別功能，攝像頭開始初始化準備進行拍照→拍照后將信息存到SDRAM 中進行緩存→通過DMA 將數據在LCD顯示屏上進行顯示→中央控制單元按時間因素進行處理，從SD 內存卡接收的上位機預約者信息中調取當前時段的預約人臉信息，將攝像頭采集的人臉信息與之對比查找→如果人臉信息對比成功，則對應調用現場門禁和實驗區域電源管理功能，并調用網絡通信功能，將預約者的數據實時反饋；如果對比不成功，則在LCD 屏中顯示對應的失敗信息。

3.2 網絡通信功能的軟件設計

現場管理系統的網絡通信軟件主要實現定時向上位機獲取該時段內的預約學生的姓名、學號、人臉圖片、預約區域等數據信息，以及向上位機回傳預約成功的相關信息；向上位機獲取信息的主要流程為：判斷當前時間是否在這天的預約時間段→如果在預約時間段，建立TCP 通信與上位機進行握手連接→系統向上位機發送獲取本次時間段的預約信息的校驗信息命令→上位機接受命令后向系統發送本次時間段的學生的姓名，學號，照片，預約區域等預約信息→系統逐次接受信息并進行CRC 校驗→校驗成功后把每次的信息存儲到SD 內存卡中→在判斷信息是否接受完成→接受完成后，系統主動斷開連接。向上位機回傳信息的主要流程為：當預約者現場人臉對比成功后，重新建立TCP 通信與上位機進行握手連接→系統向上位機發送回傳信息的校驗指令→系統將預約者進入實驗室的實時時間和實驗區域的電源狀態等信息打包向上位機進行回傳→上位機接收回傳信息完成后，反饋校驗信息→系統判斷校驗信息成功后，主動斷開連接。

3.3 現場管理功能的軟件設計

圖2：開放式實驗室管理系統在線“人臉注冊”操作

現場管理系統的現場管理軟件主要實現人臉識別通過之后的實驗室門禁管理和實驗區域電源管理，門禁管理的主要流程為：當學生人臉識別評定通過后，調用現場管理模塊，打開門禁→判斷預約者是否已經進入→若進入，則關閉門禁、開啟對應實驗區域的電源；若未進入，定時關閉門禁，重置現場管理模塊。實驗區域電源管理主要流程：判斷學生是否進入實驗室→進入后，遠程開啟預約區域電源→實驗過程中，將已開啟的實驗區域的電源開關狀態實時回調至上位機→當學生預約時間快到之前，按結束前15 分鐘、10 分鐘、5 分鐘，分三次調用區域語音模塊進行現場語音提示→當預約的時間已經結束，自動斷開該實驗區域電源；若預約者提前離開，需按下實驗區域的提前結束按鍵，關閉所在實驗區域的電源→實驗區域電源關閉后，系統回傳上位機實驗區域電源的狀態以及關閉原因（例如：預約時間是自然結束還是提前結束離開等）。

4 開放式實驗室現場管理系統的應用流程

開放式實驗室管理系統已在我校投入運行，應用過程是與“實踐教學服務與管理平臺”結合使用的，具體應用流程如下：

4.1 平臺在線人臉錄入

如圖2 所示，學生在“實踐教學服務與管理平臺”成功完成理論測試和設計實驗步驟后就可以進行實驗室的預約，學生在預約實驗的過程中，將會自動跳轉至“智能開放式實驗室管理系統”；如果是第一次進入這個系統，將會進行“人臉識別”的在線注冊。具體流程：進入“人臉錄入”頁面，自動啟動電腦攝像頭，并在頁面左側將攝像頭所拍攝的信息進行實時顯示→點擊該區域下方的“人臉截圖”，進行人臉拍照和照片的存儲，預存的照片在頁面右側顯示→人臉拍照完成后，點擊“上傳截圖”，后臺將人臉照片信息和預約學生的學生信息一并打包進行數據存儲，從而完成人臉注冊功能。

4.2 實驗室預約狀態在線查詢

學生完成人臉注冊后，可點擊進入實驗室預約狀態查詢界面，通過左側的條件選擇區，選擇準備查詢的預約日期、系部、實驗室編號、實驗類型（常規類、創新類），查詢右側對應實驗區域的可預約狀態，并且可以查看不同實驗區域的設備、材料和所能實施的實驗類型。

4.3 實驗室預約信息在線填寫

學生完成實驗室預約狀態的查看后，點擊準備預約的實驗區域，進入實驗室預約信息填寫界面，分別需要填寫學號、班級，選擇課程科目、選擇對應課程科目的實驗項目，并且可簡單瀏覽右側的實驗介紹（包括：實驗設備、實驗材料、實驗內容簡介）。

4.4 實驗室現場驗證

學生完成實驗室的在線預約后，只有在預約規定的時間內，到達實驗室現場進行人臉識別，才能通過現場驗證進入實驗室，并啟動對應預約區域電源進行實驗；無論是在預約時間之前，還是在預約時間段已經結束之后，在實驗室現場進行人臉識別，現場LCD屏都會顯示“當前時間段，預約者信息不匹配”，都無法通過現場驗證。

5 開放式實驗室現場管理系統的應用效果

開放式實驗室現場管理系統經過校內現場試運行，實現了將普通的電子實驗室改造為從早到晚、一周七天都開放的實驗環境，有近20%的學生開展了創新實驗項目，人數相對以往統計結果提升了1 倍以上[5]，系統運行的故障率穩定在低水平，達到了設計的預期效果。

6 結束語

系統應用統計結果顯示，開放式實驗室現場管理系統能簡化實驗預約審批流程，提高實驗室的使用效率，提高設備資源的利用率，但在實際應用中，還需要圍繞實驗室的精細化管理繼續優化。