基于物聯(lián)網(wǎng)的開放實驗室信息管理系統(tǒng)

周開利+黎娟+劉江豪

摘 要：針對現(xiàn)有高校開放實驗室信息管理系統(tǒng)的不足，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實驗室的智能化管理，通過無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座，開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的開放實驗室信息管理系統(tǒng)，解決了開放實驗室改造中的布線困難和現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)自動化程度不高等問題，期望該設(shè)計有助于進(jìn)一步提高實驗室的智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：開放實驗室；物聯(lián)網(wǎng)；信息管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）07-0085-03

0引言

隨著高校教育教學(xué)改革的深入，開放實驗室建設(shè)日益成為高校實驗室建設(shè)中最重要的部分。針對開放實驗室智能化管理的需求，從不同的角度出發(fā)，提出了許多開放實驗室信息管理系統(tǒng)解決方案，如機(jī)房自動管理系統(tǒng)[1]、針對全校實驗室的校園開放實驗室管理系統(tǒng)[2]、分級管理開放型實驗管理系統(tǒng)[3]、基于IC卡的高校實驗室智能管理系統(tǒng)[4]、基于RFID和ZigBee的開放型實驗室[5]、開放實驗室智能管理系統(tǒng)[6]、基于物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室[7]等，這些方案在實驗室信息管理、人員管理、設(shè)備管理、實驗項目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計報表、教學(xué)資源管理等方面，不同程度實現(xiàn)了開放實驗室的信息化管理，但除了計算機(jī)房以外，針對其它開放實驗室，由于沒有計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大多存在自動化管理程度不高的問題，另外，在將普通實驗室改造為開放實驗室的過程中，存在布線困難等問題。針對這些問題，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開放實驗室的智能化管理，設(shè)計了一種無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座[8]，本文以該無線門禁系統(tǒng)與智能電源插座，開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的開放實驗室信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高開放實驗室的智能化管理水平。

1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、無線門禁系統(tǒng)和智能電源插座等部分組成[8]。協(xié)調(diào)器用于完成硬件系統(tǒng)（無線門禁系統(tǒng)和智能電源插座等）與服務(wù)器之間的通信，無線門禁系統(tǒng)完成進(jìn)出實驗室人員的身份識別，智能電源插座實現(xiàn)實驗臺的開關(guān)控制以及實驗臺電源的狀態(tài)檢測與過流保護(hù)。

軟件系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）構(gòu)架，分為前端客戶機(jī)瀏覽器和服務(wù)器?？蛻舳艘訦TTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)出訪問請求，服務(wù)器接到請求后對這些請求進(jìn)行驗證，證明其合法性后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果以HTML格式返回給客戶機(jī)瀏覽器。服務(wù)器負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)的控制與和各個應(yīng)用模塊的管理，是系統(tǒng)核心部分。采用B/S結(jié)構(gòu)客戶端無需安裝任何程序，可簡化客戶端電腦的載荷，給數(shù)據(jù)訪問和應(yīng)用程序執(zhí)行帶來極大便利，也大大降低了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本及工作量。

2系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，實驗室基本信息管理、實驗項目管理、預(yù)約管理、系統(tǒng)管理和現(xiàn)有的開放實驗室信息管理系統(tǒng)[1-7]基本相同，這里不再贅述。

圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1人員管理

人員管理模塊將人員分為實驗室領(lǐng)導(dǎo)、實驗管理人員、實驗指導(dǎo)老師、學(xué)生和訪客5類，具備傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)對人員信息的新建、修改、查詢以及刪除功能。稍有不同的是，新建部分通過發(fā)卡或注冊方式錄入人員的相關(guān)信息，并根據(jù)人員類型確定進(jìn)出實驗室以及使用實驗室資源的權(quán)限（條件）。實驗室領(lǐng)導(dǎo)可以進(jìn)入所有實驗室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入硬件設(shè)備管理模塊，對實驗室的硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；實驗室管理人員可以進(jìn)入所管轄的實驗室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入各種管理模塊，對其管轄的實驗室所有軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；實驗指導(dǎo)老師可以進(jìn)入所帶實驗課的實驗室，并可登錄信息管理系統(tǒng)，進(jìn)入硬件設(shè)備管理模塊，對實驗室的硬件系統(tǒng)進(jìn)行操縱；學(xué)生需在進(jìn)入實驗室前進(jìn)行注冊，當(dāng)有空閑實驗臺、賬戶余額或免費實驗學(xué)時足夠、信譽(yù)積分達(dá)標(biāo)時，學(xué)生可以進(jìn)入實驗室，只能對分配的實驗臺進(jìn)行操縱。信譽(yù)積分根據(jù)預(yù)約后是否爽約、是否惡意拖延實驗時間、是否有意影響實驗室環(huán)境等行為由實驗管理人員進(jìn)行評分；訪客在進(jìn)入實驗室前發(fā)臨時卡，劃卡出入，離開時還卡，可根據(jù)需要，確定是否記錄訪客的相關(guān)信息，訪客對實驗室所有軟、硬件系統(tǒng)不具備操縱權(quán)。通過對各類人員進(jìn)出實驗室的信息記錄，實現(xiàn)考勤管理。

2.2儀器設(shè)備管理

儀器設(shè)備管理模塊具備傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)對實驗儀器設(shè)備信息的新建、修改、查詢以及刪除功能，在此基礎(chǔ)上，還增加了儀器設(shè)備使用的詳細(xì)記錄，以便由此自動計算設(shè)備利用率。當(dāng)學(xué)生劃卡進(jìn)入實驗室時，在通過身份驗證后由系統(tǒng)分配指定的實驗室臺給學(xué)生，并給該實驗臺電源插座上電，系統(tǒng)自動記錄該實驗臺上所有儀器設(shè)備的使用起始時間；學(xué)生完成實驗后，再次劃卡注銷，系統(tǒng)自動記錄對應(yīng)實驗臺上所有儀器設(shè)備的使用結(jié)束時間，進(jìn)而計算出儀器設(shè)備使用的時長，根據(jù)需要可計算其利用率。

2.3硬件系統(tǒng)管理

硬件系統(tǒng)管理，主要是對系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)：門禁系統(tǒng)和智能電源插座進(jìn)行管理，管理的對象還可進(jìn)一步擴(kuò)充到視頻監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)等，該模塊是區(qū)別于現(xiàn)有開放實驗室信息管理系統(tǒng)的核心模塊。

門禁系統(tǒng)終端節(jié)點和電源插座終端節(jié)點組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可通過協(xié)調(diào)器節(jié)點與程序服務(wù)器進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點與服務(wù)器通過串口進(jìn)行通信，其軟件流程圖如圖2所示。

應(yīng)用程序運行后，首先對串口和電磁鎖及電源插座進(jìn)行初始化，然后等待任務(wù)事件發(fā)生。具體任務(wù)事件有以下幾類：

（1）實驗室領(lǐng)導(dǎo)、實驗室管理人員和實驗指導(dǎo)老師登錄信息管理系統(tǒng)后，直接發(fā)出指令控制電磁鎖和電源插座的開關(guān)（可指定實驗臺號或全部打開和全部斷開）。

（2）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為RFID數(shù)據(jù)時，進(jìn)行身份驗證，若通過驗證，則記錄是奇數(shù)次劃卡還是偶數(shù)次劃卡，以判斷是進(jìn)門還是出門。若是奇數(shù)次劃卡，則認(rèn)為是進(jìn)入實驗室，進(jìn)一步判斷人員身份，若是實驗室領(lǐng)導(dǎo)、實驗室管理人員和實驗指導(dǎo)老師，則發(fā)出開鎖指令、講臺和辦公桌電源打開指令；若是訪客，則發(fā)出開鎖指令；若是學(xué)生，再進(jìn)一步判斷是否滿足進(jìn)入實驗室條件（有空閑實驗臺、賬號余額或免費實驗學(xué)時足夠、信譽(yù)積分達(dá)標(biāo)），若條件滿足，則分配實驗臺號，發(fā)出開鎖和打開實驗臺電源指令。上述過程在發(fā)出開鎖指令時，同時向門禁系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的人員提示信息，并記錄進(jìn)入實驗室時間。若為偶數(shù)次劃卡，則認(rèn)為是離開實驗室，關(guān)閉相應(yīng)的電源插座，記錄人員離開實驗室的時間。若身份驗證不通過，則只向門禁系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的提示信息。

（3）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為電源插座打開狀態(tài)數(shù)據(jù)時，則顯示相應(yīng)插座的開關(guān)信息。

（4）當(dāng)服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為電源插座過流信息時，則發(fā)出關(guān)閉該插座電源指令，同時發(fā)出過流報警信息。

（5）當(dāng)程序服務(wù)器接收到串口數(shù)據(jù)為門打開時間超時報警信息時，則發(fā)出門打開超時報警信息。

（6）當(dāng)發(fā)出開鎖指令5 s后，若門未被打開，則發(fā)出關(guān)閉電磁鎖指令。

門禁系統(tǒng)和實驗臺電源的初始化狀態(tài)都是關(guān)閉，只有收到打開的指令，相關(guān)人員才能進(jìn)入實驗室。為防止停電后電磁鎖打不開，可以配置備用電源，另外，還可以用鑰匙開鎖。

3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)采用關(guān)系模型SQL Server 2005進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，并使用SQL語句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)。數(shù)據(jù)庫中包含實驗室人員信息、實驗室基本信息、儀器設(shè)備信息、硬件設(shè)備信息、實驗項目信息、預(yù)約審批信息等多張表。由于數(shù)據(jù)庫中有大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，因此對于表的設(shè)計應(yīng)特別注意，表的個數(shù)應(yīng)盡量減少，表中屬性應(yīng)盡量直觀，數(shù)量也要適中，各個表之間有關(guān)聯(lián)的情況也盡量做到精準(zhǔn)，這樣就可以保障對數(shù)據(jù)庫操作的正確性。