基于紅外傳感監測的實驗室開放系統設計

王婷婷 于大海

摘 ?要： 早期實驗室開放系統預約效果差，已經無法滿足用戶需求，為了避免以往系統帶來的弊端，提出基于紅外傳感監測的實驗室開放系統設計。根據硬件結構設計控制模塊、管理模塊和監控模塊，其中，控制模塊包括門控和燈控，通過在門上安裝普通磁力鎖，附帶門磁裝置，能夠直接控制開關，并及時發送報警信號。采用繼電器控制PT8A2621型號紅外線感應式人體燈控芯片，并分析各個引腳的連接情況。設計實驗室預約和用戶預約管理模塊，使用W5500集成TCP/IP協議棧，實現管理模式下的預約監控。采用JAVA語言開發終端應用程序，構建統一數據庫，利用紅外傳感監測技術研究用戶申請數據和安全存儲數據，并分析實驗室預約流程，得到用戶登錄時序圖，以此設計審核流程，完成系統設計。通過仿真實驗結果可知，該系統預約效果最高可達到99.01%，為實驗室合理應用提供了系統支持。

關鍵詞： 紅外傳感監測; 實驗室開放系統; 門控; 燈控; 預約管理; 登錄時序

中圖分類號： TN99?34; TP311.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）07?0150?05

Design of open laboratory system based on infrared sensor monitoring

WANG Tingting， YU Dahai

（Changchun Guanghua University， Changchun 130000， China）

Abstract： The booking effect of the early open laboratory system is poor， which can not meet the needs of users. In view of this， an open laboratory system design based on infrared sensor monitoring is proposed to avoid the drawbacks of the previous system. The control module， management module and monitoring module are designed according to the hardware structure， among which the control module includes gate control and light control. By installing a common magnetic lock on the door and attaching a door magnetic device， the switch can be directly controlled and the alarm signal can be sent in time. The PT8A2621 infrared induction human body light control chip is controlled by relay， and the pin connections are analyzed. The management modules of laboratory reservation and user reservation are designed， and W5500 is used to integrate the TCP/IP protocol stack to realize reservation monitoring under management mode. The terminal application programme is developed by JAVA language to build a unified database. The user application data and secure storage data are researched by infrared sensor monitoring technology， then the laboratory reservation process are analyzed to get the user login sequence diagram， so as to design the audit process and complete the system design. The simulation results show that the booking effect of the system can reach 99.01%， which provides system support for rational laboratory application.

Keywords： infrared sensor monitoring; open laboratory system; gate control; light control; reservation management; login sequence

0 ?引 ?言

目前實驗室開放系統已經不能滿足當前教學需求，一旦確定排課時間就無法隨意修改，造成該實驗室內的其他設備無法使用，大大降低了實驗室使用效率[1]。由于開放實驗室面對學生數量較為龐大，對于不同專業使用的設備也沒有明確限制，導致實驗室使用時間不合理，無法保證每個學生都具備適合的實驗設備[2]。大多數實驗室還存在設備利用效率低、管理體制落后、實驗時間安排不合理等問題，嚴重阻礙了科研技術的發展[3]。

本文利用現代化技術對實驗室進行信息化建設，以此提高師生學習能力和動手實踐能力。實驗室開放系統是一個信息化的管理方式，通過多個資源、信息整合和使用來改變師生參與實驗的項目，為實驗室開放提供全面服務[4]。建立實驗室開放系統不僅可以擴大師生在實驗室學習的內容，還可滿足課程教學創造性需求。根據以往構建的實驗室開放系統進行分析，提出的基于紅外傳感監測的實驗室開放系統是在網絡環境下研發的，不僅具有多層結構應用程序，還能提供有效網絡平臺，在這些技術的支持下，該系統可以進行數據快速通信，具有良好的兼容性。

1 ?實驗室開放系統總體框架設計

實驗室開放系統設計的主要思路就是放寬管理人員權限，不僅需要調控實驗室教學方式，還需調整實驗時間，進而滿足用戶需求[5]。用戶需要根據自己的時間、場地選擇實驗項目，管理人員則需及時分析用戶的實驗結果，通過系統作出評價。為了同時滿足用戶與管理人員的需求，需設計系統硬件結構和軟件功能。

基于紅外傳感監測的實驗室開放系統總體框架設計如圖1所示。

由圖1可知，用戶進入開放實驗室，應遵守實驗室的規章制度，而該系統在傳統管理方式的基礎上，優化了結構體系和服務方式，采用如圖1所示的總體結構，可對在規定時間未進行實驗的用戶提醒，而用戶也可通過該系統查詢最近的實驗室預約時間[6]。

2 ?結構體系

系統硬件結構設計如圖2所示。

由圖2可知：紅外傳感監測是以紅外線為介質的監測系統，按照功能可劃分為輻射計、搜索和跟蹤、熱成像、紅外測距、混合通信。通過紅外傳感監測無需重新架設網絡，只要有電線就可進行數據傳遞[7]。管理員通過系統設置，給有需要的用戶預約時間，提供實驗設備，監測實驗室安全狀態，就可完成硬件結構設計[8]。

2.1 ?控制模塊

硬件控制模塊是對門控、燈控和設備進行管理，管理人員通過門控和燈控發送報警信號，再由設備進行統一管理。

2.1.1 ?門控管理

在門上安裝普通磁力鎖，附帶門磁裝置，能夠直接反映它的開關狀態[9]。如果實驗室門沒有在規定時間范圍內關上，則說明有異常情況發生，此時門磁裝置發送信號，通過門控控制器產生報警信號。

單門實現原理圖如圖3所示。

通過收集指紋數據來修改用戶信息，可將修改后的指紋數據傳輸到門控網點指紋儀上，為某個門控網點出入權限進行設置[10]。

根據圖3所示原理，設計門控結構示意圖，如圖4所示。

圖4中計算機通過網絡與門控控制器連接，對出入門人員進行查詢，并將查詢結果傳輸到主機中進行管理，通過儲存、查詢、打印，可在異常情況下采取門禁應急措施[11]。

2.1.2 ?燈控管理

采用PT8A2621型號芯片作為大規模集成電路的主要芯片，適用于紅外線感應式人體燈控。采用繼電器控制方式能夠應用于走廊、實驗室的照明[12]。

燈控管理內部電路圖如圖5所示。

圖5中各個引腳所對應的功能依次為：O1和O2分別為第一級和第二級運放輸出端;N1和N2分別為第一級和第二級運放反相輸入端;P1和P2分別為第一級和第二級運放同相輸入端;OSC1和OSC2分別表示輸出驅動繼電器持續時間和系統工作頻率;VEE表示內部穩壓器輸出端;VCC表示電源端;GND表示接地端;Relay表示繼電器驅動輸出端;ZC表示交流過零檢測端。由于ZC引腳輸入信號需要過零檢測，因此，當信號消失時間超過設定時間3 s時，芯片將重新初始化，此時初始時間為35 s，上邊引腳外接電容對其內部不會造成影響[13]。

2.2 ?管理模塊

管理模塊主要對實驗室預約、用戶預約進行模塊設計，保證實驗室設備能夠被充分利用。

2.2.1 ?實驗室預約

實驗室預約不但可以實現實驗室開放預約信息管理，還能實現對用戶信息管理。管理人員預約模塊是在用戶選擇預約時間的基礎上，將信息與安排內容同時輸入主機之中，根據安排情況與用戶實際情況進行一定調整，由此自動生成實驗室開放預約表，并將該表提供給用戶，供設備入庫、出庫、歸還、損壞等及時作出更新決策。

2.2.2 ?用戶預約

用戶預約具有一般時間安排功能，對用戶專門實驗進行安排與管理。用戶也可通過主機查看已經安排好的預約情況，并查看其他空閑時間，提出合理實驗申請。

管理人員針對開放實驗室具體情況作出相應安排，隨時查看已經選好實驗時間的用戶，通過實驗結果作出評價，根據評價內容可再次向管理人員提出預約申請。

2.3 ?監控模塊

使用紅外傳感設備能夠抵抗外界強光干擾，并具備電平型和脈沖型兩種驅動方式，使用W5500集成TCP/IP協議棧為系統提供簡易網絡連接方式。監控模塊由走廊和實驗室監控構成，使用紅外傳感監測技術能夠實現監控全覆蓋，以此提高設備使用安全性。

3 ?功能設計

系統功能設計主要使用JAVA語言開發終端應用程序，選擇SQLServer 2005數據庫，在網絡基礎上應用紅外傳感監測技術，充分實現實驗室開放功能。

實驗室開放數據庫設計需要構建統一數據庫，使軟件數據都能從該數據庫中提取，這是完成實驗室開放式管理的重要環節。經過紅外傳感監測到的開放實驗室用戶申請數據，可用式（1）來表示：

[Mxmin=i=1naiytix+bhx] （1）

式中：[Mxmin]表示用戶申請所發生數據處理結果最小值;[x]為原始數據變量;[y1，y2，…，yn]表示處理過程中損失的數據;[h]為正則化系數;[b]為共軛系數;[a]為對偶處理過程中數據變量;[t]為正則化正參數。

通過紅外傳感介質傳輸數據，進行安全存儲的公式為：

[Mrmin=i=1nai-ri-bh1bi=1nyiri] （2）

式中：[Mrmin]表示數據安全最低值;[r]為安全級別數據變量。

采用紅外傳感監測技術對用戶申請數據和安全存儲數據進行分析，可得到監測結果，以此為基礎設計實驗室預約流程：

1） 用戶登錄系統，相關項目開放展示;

2） 登錄選擇開放性項目，選擇某一實驗項目;

3） 用戶選擇結果提交后，選擇實驗設備與時間;

4） 管理人員對用戶申報項目進行審核;

5） 通過資格審核，根據用戶選擇設備和時間，系統自動安排;

6） 系統安排后，用戶可從網站上查詢預約情況。

預約流程中的用戶登錄時序設計如圖6所示。

由圖6可知：用戶啟動實驗室開放系統后，立即出現用戶登錄界面，用戶在登錄界面對話框中輸入用戶信息，并向系統界面發出確認信息。一旦完成信息交流后，啟動身份確認模塊，驗證輸入信息是否正確，如果正確，則迅速登錄，并顯示相應界面;如果錯誤，則在登錄界面發出預警信息，要求該用戶退出。

根據時序圖，開放實驗室管理人員需要及時審核用戶預約結果，具體審核流程如下：

步驟1：開放實驗室管理人員進入審核界面后，需查看審核信息;

步驟2：進入預約時間后，選擇一個預約時間;

步驟3：選擇申請信息，查看審核是否通過;

步驟4：如果審核通過，則需將結果反饋給用戶;如果審核未通過，則需提交未通過表單，并反饋給用戶。

根據上述內容，可完成系統功能設計。

4 ?仿真實驗

在Web服務器端開發環境下，采用某實驗室數據中心提供的數據集，作為基于紅外傳感監測的實驗室開放系統設計仿真實驗數據集。

4.1 ?實驗數據分析

在實驗室開放系統中設置管理人員和用戶這兩個角色，數據收集包括資源、用戶、管理信息、匯總統計、第三方接口數據，通過這些數據對用戶、信息以及系統參數等方面進行管理。實驗數據采集結果如表1所示。

根據收集到的相關數據，對誤差進行修正，保證實驗結果的真實性。

4.2 ?誤差修正

通過多次采集實驗數據，并多次更換系數，可保證數據收集的精準性。

設[m]個測量誤差為[E1，E2，…，Em]，這組測量值的標準誤差為[η]，實驗標準誤差計算公式為：

[η=E21+E22+…+E2mm=iE2im] （3）

標準誤差真實反映樣本平均數對總體平均數的變異程度，通過修正誤差可提高實驗結果的精密度。

4.3 ?實驗結果與分析

根據上述內容，分別從管理員角度和用戶角度對系統預約效果進行評價。

4.3.1 ?管理員角度

分別采用早期系統和基于紅外傳感監測系統對實驗室開放系統預約效果進行對比分析，結果如表2所示。

根據表2可知，在實驗室開放8：00—17：00這段時間段內，有無外界干擾，基于紅外傳感監測系統都比早期系統預約效果要好。在無干擾條件下，當時間段為8：00—9：00，預約效果最低為97.54%。當時間段為9：00—10：00，預約效果最好，可達到99.01%;而早期系統在該時間段內，預約效果最高可達到75.16%，在時間段為8：00—9：00，預約效果最低為62.14%。在有干擾條件下，當時間段為8：00—9：00，預約效果最低為92.51%。當時間段為16：00—17：00，預約效果最好，可達到95.47%;而早期系統在11：00—12：00時間段內，預約效果最高可達到48.19%，在時間段為14：00—15：00，預約效果最低為20.59%。

4.3.2 ?用戶角度

在用戶角度下，分別采用早期系統和基于紅外傳感監測系統對實驗室開放系統預約效果進行對比分析，結果如圖7所示。

由圖7可知：針對早期系統，無干擾條件下，在時間段為8：00—9：00，預約效果最好，達到60%。在時間段為11：00—12：00，預約效果最差，達到45%;有干擾條件下，在時間段為8：00—9：00，預約效果最好，達到35%。在時間段為11：00—12：00，預約效果最差，達到20%。

針對基于紅外傳感監測系統，無干擾條件下，在時間段為16：00—17：00，預約效果最好，達到91%。在時間段為9：00—10：00，預約效果最差，達到85%;有干擾條件下，在時間段為9：00—10：00，預約效果最好，達到89%。在時間段為10：00—11：00，預約效果最差，達到81%。

因此，在有無干擾條件下，基于紅外傳感監測系統預約效果較好。

5 ?結 ?語

隨著實驗室開放系統的逐漸普及，用戶可通過登錄系統就能進行操作，方便實驗室工作人員管理，進而提高辦公效率。充分利用紅外傳感監測的優勢構建實驗室開放系統，可實現對實驗設備的開放式管理，相比于傳統系統，該系統的設計不僅能夠使用戶和實驗室管理員兩者有機結合在一起，提高實驗室管理效率，還能使用戶在任何時間、地點進行實驗預約，保證實驗設備被充分利用。

基于紅外傳感監測的實驗室開放系統的開發具有一定建設性意義，但在各功能模塊使用的過程中存在一定局限性，有待進一步研究。

參考文獻

[1] 常建華，徐曦，薛宇，等.基于差分吸收檢測技術的非色散紅外SF6傳感器[J].傳感技術學報，2016，29（12）：1804?1809.

[2] 趙桂軍，張廣玉，陶奕冶，等.實物地質資料開放實驗室設計方案的探討[J].中國礦業，2017，26（z2）：78?84.

[3] 連靜，宗云鵬，李琳輝.基于開放式多媒體應用平臺的汽車安全監測系統設計[J].北京理工大學學報，2017（1）：50?55.

[4] 王歡，張玉清，陳雙剛，等.基于ARM平臺的實驗室視頻監控系統設計[J].計算機工程與設計，2018（5）：110?117.

[5] 侯佳鑫，吳亞東，徐陽杰，等.沉浸式地下實驗室三維數據可視化系統研究[J].系統仿真學報，2018，30（7）：283?289.

[6] 陳思雨，樊樹海，魏霞，等.基于Flexsim/JMP開放式交互的大規模定制質量仿真系統設計與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2017，15（2）：116?118.

[7] 張朋.應用型本科院校實驗室信息管理系統的設計與研究[J].宏觀經濟管理，2017，22（z1）：216?218.

[8] 潘海鴻，林曉詞，陳琳，等.基于模塊化的可重構PMSM伺服驅動系統設計與實現[J].微特電機，2016，44（5）：40?43.

[9] 趙宇清.網絡虛擬實驗室安全防御實時監測仿真[J].計算機仿真，2018，35（2）：191?194.

[10] 郝靜鵬.云平臺下實驗室數據庫資源負載優化控制仿真[J].計算機仿真，2017，34（7）：391?394.

[11] 王力，李碩，武會杰，等.基于紅外技術的機載電路板故障診斷研究[J].計算機仿真，2017，34（7）：89?93.

[12] 張雪俠，付安英，商瑩.基于虛擬儀器的電子實驗室的研究[J].電子設計工程，2017，25（6）：170?172.

[13] YU Han， LIU Wei. Design and implementation of laboratory management system [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（1）： 1?5.