基于物聯網的實驗教學管理平臺的構建與實現

汪慶 杜煒 耿英保 谷宗運

（安徽中醫藥大學醫藥信息工程學院 安徽省合肥市 230012）

高校實驗室是開展教學和科研的重要基地，也是提高學生動手實踐能力的第二課堂所在地。通過統籌科學地安排實驗室資源，能夠將實驗室的作用在更大程度上發揮出來，有助于進一步提升學生的實踐創新和獨立思考能力，對培養社會所需的理論和實踐都具備的復合型人才有非常積極的作用。

近年來，隨著高校大力推進信息化建設，實驗室硬件的得以提升，實驗室承擔的任務不斷增加，實驗教學管理以及實驗室安全管理等問題日益突出。本文是作者在長時間的一線實驗教學管理工作調研后提出的一個實用的軟硬件結合的物聯網管理平臺，旨在解決目前高校實驗室大幅度擴建后的管理問題，提高實驗教學管理的效率。

1 平臺總體架構

安徽中醫藥大學計算機實驗實訓中心具有計算機相關的實驗實訓室近30個，分為計算機基礎實驗室和專業實驗室，具體包括：有涉及計算機軟件的實驗室，如：醫藥軟件開發實驗室等；有涉及計算機硬件的實驗室，如：數模電實驗室等；還有各類專業實驗室，如：大數據實驗室、醫用電子儀器實驗室等。目前實驗中心承擔的實驗教學及考試任務有：

（1）校內任務：保障全校日常上機實驗課包括所有的計算機公共課實驗、實驗實訓課程實驗、全校期末計算機基礎無紙化考試、全校新生思政無紙化期末考試、全校新生軍事理論無紙化考試等。

（2）校外任務：承擔每年數次的國家級省級的重要考試，如：教育部考試中心主辦的全國計算機等級考試；安徽省教育招生考試院主辦的安徽省計算機水平考試；國家中醫藥管理局主辦的中醫執業醫師分階段考試；國家衛生健康委員會主辦的住院醫師規范化培訓考試等。實驗中心目前具有專職實驗管理人員6人，需要對所有實驗室的使用進行管理，實驗教學的安排進行協調，承擔的所有大小考試都需要提前準備系統的服務器、網絡和軟件的配置等，任務繁雜且重要。

針對實驗室急需解決的教學管理和安全管理，本文設計一個包含兩個子系統的物聯網平臺來解決。首先，可以使用現有校園一卡通卡片和實驗室教師機作為媒介，利用無線射頻[1]和自動識別等現代信息技術來管理學生日常的考勤情況，進行實驗教學管理；其次，可以利用視屏監控系統[2]在實驗室區域實施安防布控，做到事件可回溯，保障實驗室安全。采用物聯網技術[3]構建了一個計算機實驗教學管理服務平臺，該平臺包括兩個子系統，分別為：實驗教學管理子系統和實驗室視頻監控子系統，如圖1所示。該平臺的建立可以進一步提高實驗教學管理的效率，保障實驗室安全。

2 實驗教學管理子系統

圖1：實驗教學管理平臺總體架構

圖2：實驗教學管理子系統架構

圖3：實驗教學管理子系統的功能模塊設計

目前大多數高校使用的是基于無線射頻技術RFID的一卡通系統[4]，該卡片類型大多為M1型無線射頻卡，應用于校內的食堂用餐，圖書借閱等管理系統，師生可以使用自助充值機器終端對卡內余額進行管理。通過可以使用師生現有的一卡通作為身份識別工具，將學生的學號與一卡通卡號綁定，通過射頻識別設備記錄學生進出實驗室的行為，獲取到實驗教學出勤數據，從而實現實驗教學的管理。子系統的架構如圖2所示，右側為現有的校園一卡通系統，左側為實驗教學管理系統，包含相應的服務器數據庫管理和相應的RFID讀寫卡硬件設備，中間為學生的無線射頻卡作為媒介。

實驗教學管理子系統模塊按功能可以劃分為以下幾類：發卡模塊，課表管理模塊，打卡模塊，查詢模塊。該系統的硬件部分由一臺服務器和多臺考勤設備構成，考勤設備系統選用明泰MRF-35-MEM系列讀寫卡設備，系統管理員可以通過服務器對射頻卡進行卡片權限進行寫入和修改，卡片用戶可以通過讀卡設備進行實驗室進入管理。發卡模塊主要功能主要是給予射頻卡讀卡的權限，并將射頻卡的卡號與學號相關聯，從而實現考勤刷卡的功能；課表管理模塊主要功能是錄入本學期實驗室的實驗課的課表，具體到每周的上課時間，具體到節次，作為實驗課上課下課刷卡考勤的主要參考依據；打卡模塊主要是管理員對學生刷卡時間的進行限定，學生可以從上課前幾分鐘刷卡作為上課考勤，下課后幾分鐘刷卡作為下課考勤，從而實現學生實驗課出勤的精準管控。查詢模塊主要是對數據庫記錄的出勤數據進行查詢，作為實驗課出勤的主要依據。該子系統總體功能模塊設計如圖3所示。

實驗教學管理子系統的讀卡器的主要功能實現是調用設備SDK提供的函數對M1型射頻卡實現讀卡和寫卡。讀卡實現過程如下：首先連接讀卡器的電源和通訊串口，設置端口號和波特率，調用rf_init()函數對串口進行初始化，調用rf_get_status()函數獲取設備硬件版本號，將將扇區的密碼裝入讀寫模塊RAM中，連接結束。其次，調用rf_card()實現尋卡功能。最后是讀取數據過程：在讀取之前，先調用rf_authentication()函數進行密碼驗證，然后調用rf_read ()函數讀取M1卡扇區中的數據，讀取規則為一次讀一個大小為16個字節塊的數據，然后將讀取的內容顯示在編輯框中并調用rf_exit()函數釋放串口。寫卡過程的串口初始化、連接、尋卡和驗證密碼步驟與讀卡過程相同。寫入數據時調用rf_write()函數向M1卡中逐塊逐扇區寫入數據，寫入數據成功后調用rf_beep()進行蜂鳴器鳴叫提示，并調用rf_exit()函數釋放串口。

實驗教學管理子系統的數據處理處理包括射頻卡的讀寫以及數據庫的讀寫。在不同的情況下需要將數據進行卡和數據庫的讀寫，如：初始發卡時候，需要將學生信息寫入卡的同時寫入數據庫；如果是卡片丟失進行補卡則僅需寫卡并修改數據庫中的卡號；如若需要單獨進行獲取卡的信息，可以將卡片放置于讀卡器感應區域進行讀取；如果需要單獨數據庫查詢則可以根據學號等關鍵字進行查詢。這里系統開發使用Microsoft SQL Server 2008 R2版本數據庫，設計了多個表方便系統進行數據查詢處理，主要涉及學生表、課程表和缺課表這3個表，即：學生IC表Student_DB主要用于記錄將學生信息寫入卡片中，包括學號，姓名，性別，班級等信息；課程表TimeTable_DB主要用于記錄課程上課的周次和上下課具體時間，用于出勤結果的統計；缺課表Absence_DB主要記錄缺勤信息，包括學號、姓名、班級、課程名、遲到時間等。

實驗教學管理子系統的讀寫卡界面如圖4所示。

3 實驗室視頻監控子系統

實驗室視屏監控子系統的解決方案通常有硬件視頻壓縮卡和嵌入式硬盤錄像機兩種方式，為了將實驗教學子系統和視頻監控子系統放在一個軟件平臺，我們使用了硬件視頻壓縮卡的開發方案。該子系統的需求主要是實現實驗室區域內的實時視頻監控預覽，可以根據計劃要求進行錄像，可以根據時間對錄像進行回放，從而實現實驗室的安全防范。

實驗室視頻監控模塊按功能可以劃分為以下幾類：實時監控模塊，錄像管理模塊，用戶管理模塊。該系統的硬件部分由一臺主機、一塊多路通道的視頻壓縮卡和多個攝像探頭組合而成，選用海康威視DS-HC4000系列視頻壓縮卡，通過采集攝像探頭的模擬信號通過視頻壓縮卡轉換成數字信號存儲在硬盤，從而實現實驗室范圍內發生的情況可溯源。實時監控模塊的主要功能是將各路攝像探頭采集的視頻信號通過多路通道呈現在監控矩陣屏幕內，可供實時查看。錄像管理模塊主要功能是可以將視頻流進行數字壓縮存儲，并可根據時間查詢進行回放。用戶管理可以對不同用戶等級的權限進行管理。該子系統總體功能模塊設計如圖5所示。

圖4：實驗教學管理子系統的讀寫卡界面

圖5：實驗室視頻監控子系統功能模塊設計

圖6：實驗室視頻監控子系統的監控界面

視頻壓縮卡的主要功能是將模擬信號壓縮轉化成數字視頻，進行預覽和存儲。監控主界面初始化時候需要對視頻壓縮卡初始化，系統首先調用InitDSPs()函數對辦卡進行初始化，然后調用GetTotalChannels()函數獲取視頻編碼的通道數目，利用ChannelOpen()函數打開通道獲取該通道的句柄，再調用SetPreviewOverlayMode()函數設置視頻的預覽模式，最后調用StartVideoPreview()函數對視頻通道啟動視頻圖像預覽。錄像模塊的實現使用函數StartVideoCapture()函數和StopVideoCapture()函數進行開啟、停止通道視頻流的截取。視頻監控子系統的主界面如圖6所示。

4 結束語

本文通過使用無線射頻和視頻監控技術，針對當前高校實驗室管理過程中出現的一些問題，構建并實現了一個集教學管理、安防管理的一體化實驗室管理平臺。該平臺通過無線射頻卡對實驗室進入人員進行記錄和管控，能夠提高實驗教學的管理效率，同時平臺利用視頻壓縮卡設計出視屏監控系統，在實驗室區域進行安防監測，做到事件可查可回溯，保障實驗室內的人員和設備儀器的安全。