高校實驗室信息管理應用系統設計與實現

潘宇　張葉茂　莫淑賢

摘 ?要：高校實驗室信息管理應用系統提供了請假管理、共享文件管理、室內溫濕度顯示、燈光控制器、空調控制、風扇控制、攝像頭監(jiān)控、課堂記錄、桌面電源控制功能，可以對學生儀器使用情況進行記錄，將使用記錄存儲到數據庫端，記錄數據具有可追溯性，與傳統的數據存儲方式相比，信息化管理系統的數據更加可靠和安全，有利于快速對實驗室信息查詢，統籌協調實驗儀器設備的使用，提高設備的利用率，達到實驗室日常管理的網絡化、規(guī)范化、高效化。

關鍵詞：高校實驗室;信息管理系統;利用率

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻標識碼：A

Design and Implementation of Information Management and

Application System for University Laboratory

PAN Yu1， ZHANG Yemao1， MO Shuxian2

（1.Nanning College for Vocational Technology， Nanning 530008， China;

2.Guangxi Vocational College of Technology and Business， Nanning 530008， China）

664355872@qq.com; 43882320@qq.com; 782062042@qq.com

Abstract： This paper proposes an information management and application system for university laboratories. The proposed system provides functions including leave management， file sharing， indoor temperature and humidity display， lighting control， air conditioning control， ceiling fans control， surveillance camera， classroom control， desktop power control. The use of lab instrument by students can also be recorded. The recording data can be traced and stored in database. Compared with the traditional way of data storage， this information management system is more reliable and safe， providing quick information query and overall coordination of lab instruments， improving the utilization rate of equipment， so as to achieve the network， standardization， high efficiency of daily laboratory management.

Keywords： university laboratory; information management system; utilization

1 ? 引言（Introduction）

現今大多數高校的實驗室管理中，實驗室設備信息是依靠手工建立大量的臺賬、卡片的方式來進行管理的，儀器儀表檔案的查詢往往耗費大量時間，如果設備狀態(tài)發(fā)生變化，如借出、歸還、丟失、損壞、閑置時，都需要登記相應卡片，造成管理手續(xù)復雜，實驗設備的信息、學生實驗信息以及課程信息等不能有機地結合，各種收集和管理都是獨立分散地進行，致使各個實驗室之間、老師和實驗室之間缺乏聯系，對于承擔大量實驗教學任務的實驗室而言，存在管理工作量大，信息數據多的情況，因此，傳統的實驗室管理方式，造成了實驗信息管理效率低、實驗設備利用率低、預約實驗比較煩瑣及工作效率低等問題，在實驗室的數據統計方面存在很大的缺陷，進而制約實驗室的總結評估工作[1]。

隨著互聯網技術和信息化技術的發(fā)展，在高校實驗室的日常管理中，通過數字網絡化管理，是充分利用實驗室資源，提高實驗室的使用效率的一個有效地管理方法。從而，依據“互聯網+”技術，設計一個高校實驗室信息管理應用系統，引入信息化手段為實驗室的管理服務，建設“互聯網+”背景下高校實驗室管理系統具有現實應用的意義，信息化管理是實現實驗室管理科學化、規(guī)范化、現代化，高效性、方便性、準確性、安全性的最有效途徑。

2 ? 系統設計方案（System design scheme）

本系統能夠實現在網絡WEB端對實驗室的信息數據進行在線匯總，對常用的儀器儀表設備的使用情況進行管理，管理員通過系統界面對實驗室器材和室內照明燈具以及空調等設備進行控制以及通過實驗室內的網絡監(jiān)控攝像頭對實驗室進行實時的安全監(jiān)視，學生通過刷卡激活實驗器材電源并返回實驗器材情況。系統主要功能特點如下：

（1）系統通過煙霧等多個不同功能傳感器采集實驗室環(huán)境狀況數值并顯示;

（2）在WEB端查看設備使用情況，可以保存和更新設備的狀態(tài)信息;

（3）學生只需要刷卡即可完成一系列信息登記;

（4）可以對單個設備電源遠程控制，也可以同時對所有設備電源進行控制;

（5）控制監(jiān)控攝像頭，能夠遠程實時監(jiān)控實驗室狀況;

（6）師生可以在線上傳實驗數據、查看實驗項目、精品共享課程內容。

本系統整體框架系統，如圖1所示。

3 ?系統主要硬件設計（Hardware design of the system）

硬件系統主要由STM32F103主控芯片、電源控制模塊、RFID-RC522、ESP8266、繼電器、傳感器、顯示模塊組成，電源控制模塊是通過RFID-RC522非接觸式卡感應是否有卡刷入，刷卡后該系統連接至學校數據庫系統，并記錄該學生使用儀器設備記錄，成功刷入卡后，指示燈由紅變綠，插排即可通電，服務器在電腦終端顯示，終端連著路由器，路由器作為熱點，每個刷卡設備都有一個ESP8266連入路由器設備，作為從設備。

教師服務器終端擁有控制整個實驗室的權限，可以控制該實驗室的插排電源、風扇、燈光、空調等設備，ESP8266WIFI模塊通過串口將STM32F103獲取的數據發(fā)送至WEB平臺，硬件設計結構圖，如圖2所示。

3.1 ? STM32F103主控芯片

STM32F103芯片，集成包含了晶振時鐘、復位電路、數字和模擬間的去耦電路、調試接口、串行通信接口等電路，可以進行高速運算，能夠與傳感器模塊進行實時通訊并采集數據，WIFI模塊通過串口與STM32F103通信，通過路由器把數據傳輸到系統服務器端，師生通過PC機或者手機登錄網頁WEB端，進行控制、查詢，從而實現對實驗室本地與遠程功能控制操作[2]。

3.2 ? 環(huán)境監(jiān)測與調節(jié)

系統通過安裝在實驗室的多個不同的傳感器，采集實驗室內的溫濕、煙霧、光照的強度等數值，通過無線網絡發(fā)送到WEB端，若溫濕度超過設定值，可自動開啟通風系統（或空調），降低實驗室溫濕度值，保證實驗儀器設備安全的存放。

環(huán)境監(jiān)測部分使用了DHT11溫濕度采集模塊，模塊采集到的數據會回傳到STM32F103中，并通過判斷溫度數據是否高于設定值來決定是否啟動通風系統，同時，溫度數據每隔一定時間通過TCP方式傳送至WEB端。

3.3 ? 指紋門禁

通過驗證進入實驗室人員的指紋進行門禁，保障實驗室的安全，在指紋門禁系統中，使用FM10A指紋模塊，錄入管理員指紋，如果在管理員對實驗室管理期間有變動，門禁系統也可以通過系統清除管理員的指紋，在門禁系統啟動使用期間，STM32F103主控芯片處于循環(huán)發(fā)送搜索指紋命令，當指紋模塊FM10A匹配到相同的指紋，就會返回一個信息給STM32F103來驅動電機，實現開門，從而實現門禁作用。

3.4 ? 防盜入侵報警

防盜系統由紅外報警組成。實驗室窗戶裝有紅外監(jiān)測模塊，當檢測到非法入侵，則進行報警，紅外報警部分，采用的是是反射式紅外傳感器，它可以測量1M的距離，且功耗極低。當有障礙物在紅外發(fā)射器的直線上經過，紅外線會從障礙物反射回接收器，紅外報警模塊就會返回電平信息給主控STM32F103芯片，通過判斷I/O返回的高低電平信息來決定是否啟動語音報警模塊進行報警，并通過GSM模塊給實驗室管理人員的手機發(fā)送信息來提醒報警[3]。

ESP8266擁有完整的且成體系的Wi-Fi網絡功能，既能夠獨立應用，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。當ESP8266獨立應用時，能夠直接從外接flash中啟動，通過UART串口與主控芯片STM32F103連接，以TCP協議傳輸數據到服務器端，ESP8266建立TCP連接流程，如圖3所示。

3.5 ? 桌面電源控制功能

桌面電源主要功能是通過RFID打卡使用儀器，將學生的儀器使用記錄同步到數據庫中保持，替代以往的紙質記錄的方法，除了打卡操作外，教師還可以單獨在WEB端對桌面電源的開關進行控制和鎖定操作，當觸發(fā)鎖定后，桌面電源將保持原來的狀態(tài)，打卡沒有效果。

3.6 ? 網絡監(jiān)控

實驗室網絡實時視頻監(jiān)控，使用的是一個USB監(jiān)控攝像頭和一個TPLINK WR703N無線路由器，攝像頭通過路由器上的USB接口進行連接，無線路由器刷入OPENWRT系統，系統服務器通過訪問相應的端口即可獲取實時畫面并可以控制攝像頭角度轉動，實現全方位監(jiān)控。

3.7 ? 供電電源

硬件系統功能電源模塊采用220V交流電降壓至5V為整個系統提供電源，該電路由開關電源和輸出電路兩部分組成，電源電路設計，如圖4所示。

當接通電源后，220V交流通過D1整流，C14濾波，通過電阻R10給三極管Q2提供基極啟動電流，使Q2開始導通，其集電極電流線性增長，在L2中感應出使Q2基極為正、發(fā)射極為負的正反饋電壓，通過C15和R6，送到Q2基極，使Q2迅速飽和。與此同時，感應電動勢給電容C15充電，隨著C15充電電壓升高，Q2基極電位逐漸下降，IC開始減小，在L2中感應出使Q2基極為負，發(fā)射極為正的電壓，使Q2迅速截止，完成一個振蕩周期，在Q2截止期間，在L3繞組感應出一個5V左右的交流電壓。此后，C15逐漸放電，Q2基極電壓逐漸升高，從而開始第二個周期，不斷循環(huán)。L3輸出電壓經D3整流、C17濾波后通過USB座給負載供電。LED1和R9組成輸出指示電路。

DZ、817、Q1等組成取樣比較電路，檢查輸出電壓的高低。當負載變輕或電源電壓升高等原因導致輸出電壓升高時，DZ擊穿，817中發(fā)光二極管電流增大，817中光敏三極管電流增大。L2反饋繞組中的感應電壓經817中的光敏三極管到Q1基極，Q1基極電流增大，集電極電流增大，Q2基極電流減小，集電極電流減小，負載能力變小，從而導致輸出電壓降低。當輸出電壓降低后，Q1取樣后又會截止，Q2的負載能力變強，輸出電壓升高，這樣起到自動穩(wěn)壓作用。D2為L2繞組輸出電壓整流二極管，C16為濾波電容。

本電路設計有過流過載保護功能。當負載過載或者短路時，Q2的集電極電流增大，Q2的發(fā)射極電阻R7上產生較高的壓降，這個過載或者短路產生的高電壓經過R8讓Q1飽和導通，從而讓Q2截止，停止輸出，防止過載損壞。

4 ? 系統軟件設計（System software design）

4.1 ? 軟件總體架構設計

軟件設計采用B/S結構即瀏覽器和服務器結構，如圖5所示，用戶界面通過瀏覽器來實現，主要事務邏輯在服務器端實現，實現跨平臺的特性，通過JavaScript、Html、JQ等技術結合LAYUI框架搭建出扁平化風格的前端界面，使用C#、.NET、MYSQL完成后臺服務器端的開發(fā)，WEB前端的功能采用模塊化的設計[4]，可以在原基礎功能上擴展出更多的功能，同時不會影響到整體的瀏覽效果。

通過實驗室管理系統，可以獲取到各專業(yè)學生的信息，數據直觀，顯示信息有：院系、專業(yè)、班級、學號、名字、性別、聯系方式、請假時間、收假時間、備注信息，信息的錄入可直接使用Navicat Premium數據庫管理工具。

使用可道云WEB文件管理框架，基于FTP文件服務器搭建的一個校園內網的FTP文件服務，可以設置教師私有文件，以及校園內網公有的共享文件，通過WEB對文件操作，將課堂記錄的遲到、早退、曠課的同學名單提交到數據庫，在學期期末的時候可以調出數據統計。

采用上位機輪詢服務器的方法來達到數據中介轉發(fā)的效果，將WEB操作的信息通過數據庫記錄，服務器處理后傳輸到上位機，由上位機分發(fā)到下位機設備。燈光控制器硬件上使用一個雙控開關和一個繼電器電路組成一個雙控電路，WEB端和墻壁開關都可以獨立對燈光進行控制，空調控制器通過紅外解碼發(fā)射頭適配上空調的紅外編碼程序后即可通過WEB實現控制[5]，系統軟件實現功能結構，如圖6所示。

4.2 ? 數據庫系統設計

本系統數據庫采用MySQL數據庫，支持所有的操作系統平臺，支持Apache、IIS等多種Web服務器，MySQL是一個真正的多用戶、多線程的SQL數據庫服務器[6]，數據庫層操作功能強大，可操縱多種主流數據庫，SQL是世界上最流行的和標準化的數據庫語言，它使得存儲、更新和存取信息更加容易，MySQL是一個客戶機/服務器結構的實現，它由一個服務器守護程序MySQL和許多不同的客戶程序及庫組成[7]，數據庫結構平臺主要的數據表，如圖7所示。

4.3 ? WEB前端設計

實驗室信息管理系統結合LAYUI框架，利用HTML、CSS等技術，對系統各界面進行設計，系統主界面，如圖8所示，達到功能菜單簡潔明了，色彩搭配合適，美觀自然，作為系統的創(chuàng)新特色，采用JavaScript、JQ、Unity3D等技術，實現實驗儀器三維模型展示，如圖9所示，使學生在做實驗前后對儀器儀表都有一個直觀形象的認識。

4.4 ? 服務器數據處理

服務器數據處理采用C#語言，C#是一種安全的、穩(wěn)定的由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言，C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的運行效率，以其強大的操作能力、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言，可以快速基于.NET提供的一系列的工具和服務來最大限度地開發(fā)。

5 ? 結論（Conclusion）

高校實驗室信息管理應用系統的桌面打卡系統改變了以往使用紙質記錄學生使用實驗設備的情況，打卡數據連入學校數據庫，以網絡形式儲存數據，這也是互聯網時代的主流，服務器終端可以隨時查詢數據，實驗室燈光采用雙向控制，手動和教室終端控制，兩端都能控制燈的狀態(tài)，WEB端可以控制風扇或空調，當無人使用實驗室時，若燈光空調風扇等沒有關閉可以通過網頁端操作關閉，達到節(jié)約用電的目的，實驗室安全監(jiān)控可以通過系統在手機端實時查看，以上的功能的特點，經過實踐管理與教學表明，通過本系統的應用提升了實驗室管理效率，方便師生實驗室的使用與實驗課程的教學活動開展。

參考文獻（References）

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作者簡介：

潘 ? 宇（1988-），男，碩士，講師/工程師.研究領域：嵌入式系統開發(fā)，計算機應用.

張葉茂（1983-），男，碩士，副教授/高級工程.研究領域：智能控制技術.

莫淑賢（1987-），女，碩士，講師.研究領域：教育管理及信息化.本文通訊作者.