校園多分布式危化品的智能測控系統研制

摘 要：危化品的智能管理和全過程使用監督，對保障實驗室安全具有重要意義，是智慧校園建設的核心內容。為此，設計了一種基于國產統信UOS操作系統的校園實驗室危化品存儲柜分布式智能管理系統。該系統采用Python軟件開發UOS主控系統，依托實驗室內的局域網作為通信載體，構建分布式主從架構，支持從機快速復制機制。服務端通過局域網通信響應多分布式下位機應答指令和完成危化品使用相關數據庫記錄工作，客戶端完成動作申請、授權并驅動單片機系統完成實驗室開柜開鎖動作。系統有效解決了“信息孤島”問題，兼具封閉性、安全性和實時性的特點，為校園多分布式管理系統研制提供了可借鑒的解決方案。

關鍵詞：危化品；統信UOS；局域網；單片機；安全管理；智能測控系統；智慧校園

中圖分類號：TP79；TD76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

“十四五”時期我國危險化學品安全生產仍處于爬坡過坎、攻堅克難的關鍵期，擁有安全生產形勢持續穩定好轉的有利條件，但也面臨新舊風險疊加的嚴峻挑戰[1]。高校也是安全生產的主陣地，實驗室是進行教研的重要基地。隨著我國高校學科多樣性發展，實驗用危化品的數量顯著增加并呈現多分布式的特點，常規監管方式下存在較大的安全隱患，危化品的監管面臨很大的挑戰[2-3]。構建兼具高可靠性、安全性和實時性的實驗室危化品管理系統成為亟需解決的問題。

近年來，高校對實驗室管理的重視程度不斷加深，尤其是智慧校園的建設對實驗室設備管理和系統的發展起到了促進作用[4]。與此同時，與物聯網技術緊密相關的通信技術、單片機技術以及傳感器技術的不斷革新也使得遠程監控實驗室儀器成為可能[5]。綜述相關的管理系統可以發現，通信問題是校園危化品多分布式特點下面臨的核心問題，依賴物聯網卡或者大功率ZigBee、LoRa等的通信方式構建的系統，其成本和功耗顯著性增高，存在“信息孤島”問題。相對于傳統的機械式管理系統[6]，本文設計了一種可以遠程控制危化品柜的智能管理系統，能夠實時記錄柜門的開關時間及使用次數，充分利用校園內的局域網進行通信[7]，構建分布式主從架構，支持從機快速復制機制。本文方法為其他校園多分布式管理系統研制提供了可借鑒的解決方案。

1 系統總體方案

本文的危化品存儲柜管理系統總體設計框圖如圖1所示，該系統基于統信UOS操作系統平臺進行開發，主要是由下位機模塊和上位機組成。

下位機模塊以單個實驗室為單位進行布置，主要由單片機系統和危化品柜組成。將單片機系統嵌入危化品柜中，與鎖體相連，以獲得或發送開鎖指令。

局域網平臺上位機由服務端和多個客戶端組成。一個客戶端與一個下位機模塊組成一個從機，服務端可以匹配多個客戶端，以構建分布式主從架構方便監測。管理人員在局域網下登錄服務端后，可以在界面查看到每個實驗室危化品柜的開關時間與使用次數，通過點擊界面按鈕開關某個危化品柜，從而解決“一室多柜”的監測問題。

在系統運行前需在客戶端上位機界面與服務端上位機界面的IP輸入框內輸入服務端上位機的IP地址，連接完成后當客戶端按下按鈕申請取用危化品時，服務端軟件界面將會出現“客戶端請求開鎖”字樣，管理人員若同意開鎖則需點擊屏幕上同意開鎖按鈕。此時，開鎖信號將由服務端通過局域網平臺發送到客戶端上位機，客戶端上位機接收到開鎖信號后再將這一指令發送到與其相連接的單片機模塊，單片機模塊則控制繼電器導通將鎖體打開。

2 下位機設計

下位機是每個實驗室內的子單元，該單元由一個單片機系統嵌入危化品柜組成。

系統使用圖2所示的STC89C51單片機，其最小系統主要由時鐘電路、復位電路、電源電路組成。單片機串口模塊負責下位機模塊與客戶端之間的數據交互，以及局域網平臺服務端與下位機模塊的數據交互，以實現危化品封閉管理。將單片機模塊嵌入到危化品存儲柜中，并與電控鎖相連；P2^4引腳與按鍵相連接，P2^2引腳通過繼電器與電控鎖連接；使用降壓模塊將電源降壓到5 V給單片機模塊供電。

當按下危化品柜客戶端界面上的申請開鎖按鈕時，單片機系統會將開鎖信號通過串口發送給客戶端；服務端通過局域網平臺接收到開鎖信號，當服務端的管理人員同意使用時，同意開鎖信號將通過局域網平臺發送給客戶端，危化品柜端的單片機系統串口會接收到信號；此時單片機系統將會執行中斷時間，控制繼電器使電控鎖通電，通電即可開鎖取用危化品。

3 上位機設計

局域網平臺上位機基于統信UOS操作系統設計，主要是由客戶端、服務端和數據庫組成。其中：客戶端與服務端由Python語言編寫，客戶端設置在下位機模塊，便于實驗員申請開柜；服務端用于管理人員通過局域網通信響應多分布式下位機應答指令和查詢使用記錄；使用Python自帶的tkinter 模塊展示相關用戶界面；MySQL用于將使用記錄存儲為數據庫。

3.1 統信UOS

統信UOS操作系統是一款體現當今主流Linux服務器操作系統發展水平的產品，因其極高的可靠性、持久的可用性、優良的可維護性，在用戶的實際運行及使用的過程中深受好評。本文采用統信UOS系統，正因其基于Linux內核[8]，

在網絡通信方面有多項優點，能夠提供極為廣泛的協議棧支持，如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk、ATM通信協議等；具有良好的跨操作系統兼容性，如Windows、Unix、MacOS的環境等，可以與校園所使用的操作系統兼容。

3.2 用戶界面

界面的主要功能是接收用戶輸入和可視化，是用戶與應用程序交互的平臺[9]。該系統使用Python自帶的tkinter庫，可提供快速便利創建GUI應用程序的方法。通過鼠標對菜單、按鈕等圖形化元素觸發指令，并從標簽、對話框等圖型化的顯示容器中獲取人機對話信息。

危化品柜管理系統的界面由兩部分組成：服務端界面和客戶端界面。客戶端界面由三部分組成，分別是：服務端ID輸入、申請開鎖與申請信息錄入。服務端界面由兩部分組成，分別是：服務端IP地址輸入與危化品柜數據庫的使用記錄。數據庫采用MySQL創建，以實現用戶對數據的查詢。

管理人員在局域網平臺下通過界面可以查詢危化品柜的使用人員、使用物品與使用時間，客戶端與服務端的使用者通過界面進行IP輸入以實現雙方的通信。

3.3 數據庫設計

MySQL是關系型數據庫管理系統，每個數據庫都有一個或多個不同的API用于創建、訪問、管理、搜索和復制所保存的數據[10]。該系統使用MySQL創建數據庫，數據庫內有一個表格包括四個字段名：申請人、物品名稱、事由和取用時間，將這些數據規范化存儲。對危化品柜的使用進行實時記錄，以達到無需紙張、不耗費人力、實現局域網下存儲的目的。

3.4 程序設計

程序設計主要是為實現客戶端與服務端的通信，以及一些界面的設計。Python語言因其開源本質，已經被移植在許多平臺上，本系統在統信UOS操作系統下進行，Python是很好的選擇。

危化品柜控制過程：當服務端與客戶端的使用人員輸入雙方的IP，通過局域網平臺連接成功。實驗員試圖打開危化品柜時，只需按下界面按鈕，客戶端會解析命令，通過局域網發送給服務端；服務端在解析命令后，顯示在界面上請求管理人員開鎖，管理人員控制按鈕授權并驅動單片機系統完成實驗室開柜開鎖動作，實現對多分布式下位機應答指令的響應。與此同時，將使用數據傳輸給服務端，服務端將危化品柜的申請人、物品名稱、事由以及取用時間的數據同步更新在數據庫中，將這些數據規范化存儲。具體系統的過程如圖3所示。

4 系統整體功能測試

系統主要功能分為檢測危化品柜開關狀態和記錄存儲柜的使用情況。測試時，對學校機械學院材料實驗室內的危化品柜進行控制。將服務端布置在學校局域網下的一臺主機上，在危化品柜端的PC機上登錄客戶端，并接上單片機系統，完成系統的功能測試。

測試開始時，柜門處于關閉狀態，實驗員與管理人員分別輸入服務端上位機的IP后，客戶端與服務端進行連接；連接成功后客戶端將會顯示“服務器已連接”字樣。實驗員需要輸入申請信息，包括姓名、使用物品以及事由，接著按下“申請開柜”按鈕等待管理人員授權即可。客戶端測試界面如圖4所示。

測試危化品柜的使用記錄功能時，在危化品柜端的上位機向服務端申請開鎖；服務端上位機管理人員同意申請后，數據庫將使用信息進行保存，通過界面即可查詢使用記錄。每授權開鎖一次，數據庫會將開關時間與申請信息累積。數據查詢測試界面如圖5所示。

5 結 語

本系統經過多次的測試改進，已經能夠實現在局域網下一鍵審批危化品柜的功能，實時記錄危化品柜的使用記錄，充分挖掘實驗室資源，避免重復構建。分布式主從架構可以實現從機快速復制機制，尤其是通信部分有效地解決了“信息孤島”問題。另外，系統兼具封閉性、安全性和實時性的特點，可以滿足對實驗室危化品柜的安全管理，為校園多分布式危化品管理系統研制提供了可借鑒的解決方案。

參考文獻

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[10]張健，李弋，彭鑫，等.正反例歸納合成SQL查詢程序[J].軟件學報，2023，34（9）：4132-4152.

作者簡介：姜闊勝（1983—），男，山東威海人，博士，副教授，主要研究方向為機械設備狀態監測與故障診斷分析、智能視覺檢測、智能儀器與虛擬儀器設計。

段惠中（2000—），女，山西臨汾人，現就讀于安徽理工大學儀器儀表工程專業。

收稿日期：2023-04-17 修回日期：2023-05-15

基金項目：安徽理工大學研究生核心（一流）課程建設項目（2020HX004）；國家重點研發計劃（2020YFB 1314203）