智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鑫慧，王亞飛，楊芳芳，張 哲

(1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 朝陽區(qū) 100101；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100044)

實(shí)驗(yàn)室是各個(gè)高等學(xué)校和職業(yè)技術(shù)學(xué)校的重要組成部分，是教學(xué)質(zhì)量保障的基本條件之一。隨著高等教育和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)踐教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理迎來了新的挑戰(zhàn)和問題。目前，高校實(shí)驗(yàn)室所面臨的挑戰(zhàn)和問題主要有以下4個(gè)方面[1－2]。

1)學(xué)生人數(shù)增多，教師人數(shù)跟不上。

近些年來，隨著本科生和研究生的擴(kuò)招，各高校的學(xué)生人數(shù)均有較大幅度的增長(zhǎng)，教師隊(duì)伍的擴(kuò)大速度遠(yuǎn)不及教學(xué)需求。盲目擴(kuò)大教師隊(duì)伍會(huì)導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量下降等問題，因此教師隊(duì)伍的擴(kuò)大需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。而現(xiàn)在所面臨的問題則是學(xué)生人數(shù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于教師隊(duì)伍的壯大速度，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)教師無法顧及所有學(xué)生的情況，使實(shí)驗(yàn)的高效性受到影響。

2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，難度加大。

隨著實(shí)踐教學(xué)課程體系的建設(shè)，綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)逐漸增加，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求也促使了學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)和創(chuàng)新項(xiàng)目的增加。這些變化使實(shí)踐課程和項(xiàng)目在數(shù)量上明顯增加，難度上明顯加大，實(shí)驗(yàn)更加注重應(yīng)用，而非僅僅對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。如果不能找到一種高效的教學(xué)方法，勢(shì)必會(huì)影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備增多，安全管理難度大。

隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富和難度的加大，教育部門和各高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室的投入也逐漸加大。因此實(shí)驗(yàn)室設(shè)備增多，管理困難，且安全性受到威脅。而學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和開放性實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備和器材的多樣化也給負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如果實(shí)驗(yàn)室還用傳統(tǒng)的管理模式，實(shí)驗(yàn)室管理則需要投入大量的人力、物力。多樣化且數(shù)量巨大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可能造成管理混亂、安全性下降及效率低下。

4)信息交流不暢。

在實(shí)踐教學(xué)中，教師和學(xué)生缺少交流的平臺(tái)，教師的科研成果不能及時(shí)地向?qū)W生展示，教師的實(shí)驗(yàn)要求不能快速準(zhǔn)確地傳達(dá)給學(xué)生，學(xué)生的訴求和興趣點(diǎn)不能全面地向教師反映，影響了師生間的信息交流，從而影響教學(xué)效果。

同時(shí)，由于部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及儀器設(shè)備了解過少，導(dǎo)致在操作時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)失誤，造成儀器和設(shè)備的損壞，同時(shí)打消了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。而在開放性實(shí)驗(yàn)中，如果學(xué)生不能快速了解實(shí)驗(yàn)室，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入課題緩慢，不能按時(shí)完成任務(wù)等情況。為了解決這些問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的高效性、安全性和信息交互已經(jīng)迫在眉睫[3－5]。

物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)驗(yàn)室向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)[5]?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以下3個(gè)部分:1)自動(dòng)感知子系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境調(diào)節(jié)和對(duì)突發(fā)狀況的快速反應(yīng)，保證了實(shí)驗(yàn)室的安全性；2)設(shè)備管理子系統(tǒng)，解決由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備增多，管理人員不夠所導(dǎo)致的管理疏漏問題，使實(shí)驗(yàn)室的高效性得到保障，同時(shí)兼顧了安全性；3)智能教學(xué)子系統(tǒng)，幫助同學(xué)更快認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、了解實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)、做到與老師的暢通交流，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效性。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的自動(dòng)感知子系統(tǒng)是由一系列傳感器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成的，能夠識(shí)別不同的物體并監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的異常并迅速發(fā)出警報(bào)，給管理者提供有用信息，從而能夠更加有效地協(xié)助管理者處理危機(jī)，同時(shí)避免誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。設(shè)備管理子系統(tǒng)是一個(gè)基于Java web和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)頁管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備出入實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)登記和設(shè)備防盜功能。智能教學(xué)子系統(tǒng)是一個(gè)微信平臺(tái)，可以幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)器材的使用方法，也能保障老師和學(xué)生的及時(shí)溝通，實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)提供有效憑證。

1.1 自動(dòng)感知子系統(tǒng)

自動(dòng)感知子系統(tǒng)由一系列傳感器、數(shù)據(jù)分析處理模塊和配套的執(zhí)行裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中裝有溫度傳感器、濕度感覺器、煙霧傳感器、光敏傳感器和紅外傳感器等。數(shù)據(jù)分析處理部分采用MSP430G2553單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機(jī)，非常適合各種功率要求低的場(chǎng)合[6－7]。執(zhí)行裝置包括加濕器、空調(diào)和警報(bào)器等。自動(dòng)感知系統(tǒng)通過一系列傳感器采集信號(hào)，再通過單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后通過單片機(jī)輸出信號(hào)。執(zhí)行裝置接收到單片機(jī)的信號(hào)則開始對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)或輸出警報(bào)。

如煙霧傳感器針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)情況進(jìn)行報(bào)警，光敏傳感器可根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，溫濕度傳感器針對(duì)室內(nèi)溫濕環(huán)境調(diào)節(jié)和環(huán)境異常警報(bào)。以溫濕度模塊為例。當(dāng)溫濕度在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，則向執(zhí)行裝置發(fā)送信號(hào)，使其對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度或濕度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍或有異常情況時(shí)，發(fā)出警報(bào)。如果這時(shí)煙霧報(bào)警器也同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，則警報(bào)升級(jí)。低級(jí)警告發(fā)生時(shí)，向管理員發(fā)出詢問消息，等待管理員處理。高級(jí)警告發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)直接做出響應(yīng)，并將警告的原因、發(fā)生警報(bào)時(shí)的數(shù)據(jù)及處理方式進(jìn)行記錄。自動(dòng)感知系統(tǒng)部分的原理流程圖如圖1所示[8]。

圖1 自動(dòng)感知子系統(tǒng)原理圖

1.2 設(shè)備管理子系統(tǒng)

設(shè)備管理子系統(tǒng)是基于java web和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)頁管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備出入實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)登記和設(shè)備防盜功能。該系統(tǒng)在硬件上采用RFID讀寫器，軟件上用myeclipse實(shí)現(xiàn)基于java web和SQL的數(shù)據(jù)庫(kù)。

設(shè)備管理子系統(tǒng)硬件部分采用RFID。將射頻卡貼在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備上，并用標(biāo)簽號(hào)作為它的唯一標(biāo)示，將閱讀器安裝在實(shí)驗(yàn)室門口附近的自動(dòng)識(shí)別臺(tái)上。閱讀器會(huì)發(fā)送周期性信號(hào)。當(dāng)貼有射頻卡的設(shè)備經(jīng)過門口，便進(jìn)入了閱讀器的有效區(qū)域，射頻卡被激活，向閱讀器發(fā)射自己的標(biāo)簽號(hào)等信息。在接收、解調(diào)和解碼后，閱讀器將信息送入實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理[9]。

設(shè)備管理子系統(tǒng)軟件界面功能包括庫(kù)存信息查詢、儀器添加、儀器修改和儀器刪除等功能，如圖2所示。其中各模塊實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖3所示。系統(tǒng)先將閱讀器讀到的數(shù)據(jù)送入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過標(biāo)簽的位信息判斷標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息，進(jìn)而對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行分類處理。用戶也可通過系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備更新和添加等工作。這樣，自動(dòng)識(shí)別臺(tái)就能實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)登記，只要讓貼有標(biāo)簽的設(shè)備在自動(dòng)識(shí)別臺(tái)前的小平臺(tái)上經(jīng)過，即可完成進(jìn)出庫(kù)登記。當(dāng)管理員需要查看庫(kù)存和更新信息時(shí)，直接打開軟件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，就可看到當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)了管理系統(tǒng)的高效性和自動(dòng)化。

管理系統(tǒng)在提供便捷的設(shè)備管理的同時(shí)，也提供防竊保護(hù)功能。在非出入庫(kù)時(shí)段，閱讀器發(fā)現(xiàn)有設(shè)備被移入移出，可以準(zhǔn)確地識(shí)別并記錄每一臺(tái)設(shè)備的信息，彈出警報(bào)窗口?？梢詾楣芾韱T提供準(zhǔn)確的非正常操作設(shè)備的具體信息，保證了實(shí)驗(yàn)室的安全性。

圖2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)界面截圖

圖3 實(shí)驗(yàn)室管理子系統(tǒng)部分原理圖

1.3 智能教學(xué)子系統(tǒng)

智能教學(xué)子系統(tǒng)是一個(gè)基于微信平臺(tái)的軟件系統(tǒng)。微信是目前各種企業(yè)、機(jī)構(gòu)、組織和個(gè)人進(jìn)行宣傳、推廣和交流的重要手段。微信平臺(tái)不僅提供了發(fā)布信息、自動(dòng)回復(fù)和自定義菜單等功能，還提供了開發(fā)者工具[10]。在智能教學(xué)系統(tǒng)中，微信平臺(tái)(bistu通信實(shí)驗(yàn)室)主要用于向?qū)W生推廣實(shí)驗(yàn)室、學(xué)生查詢實(shí)驗(yàn)課表、教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)和師生交流等。平臺(tái)會(huì)定期向?qū)W生推送實(shí)驗(yàn)室咨詢，達(dá)到推廣實(shí)驗(yàn)室的目的。學(xué)生可以通過客戶端發(fā)送 “實(shí)驗(yàn)安排”“近期實(shí)驗(yàn)”等關(guān)鍵字，查詢實(shí)驗(yàn)課表。教師可通過平臺(tái)布置試驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生在完成某項(xiàng)任務(wù)或中途出現(xiàn)問題，也可做出相應(yīng)回復(fù)或點(diǎn)擊相應(yīng)按鍵，向教師反映當(dāng)前狀況。實(shí)驗(yàn)完成后，教師可在平臺(tái)上發(fā)起投票和發(fā)布問題，以此統(tǒng)計(jì)學(xué)生狀況，得到實(shí)驗(yàn)反饋，用來改進(jìn)教學(xué)方案。

二維碼是利用一定幾何圖案在二維空間上形成特性規(guī)律分布的黑白相間的圖像來記錄信息的一種技術(shù)[11]，通過用手機(jī)掃描二維碼即可獲取相應(yīng)信息。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的二維碼，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手機(jī)終端的微信掃一下儀器上的二維碼，就可獲取到儀器的使用說明和教學(xué)視頻，有效減少了學(xué)生因?yàn)椴粫?huì)操作，又不能及時(shí)得到教師指導(dǎo)而引發(fā)的操作錯(cuò)誤。智能教學(xué)系統(tǒng)的微信界面和設(shè)備二維碼如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室微信平臺(tái)界面截圖及設(shè)備二維碼

2 智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的特點(diǎn)

智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)能夠完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境調(diào)節(jié)和突發(fā)狀況應(yīng)對(duì)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)推廣和輔助教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)等任務(wù)，具有如下特點(diǎn)。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控多元化

自動(dòng)感知子系統(tǒng)的設(shè)置，使實(shí)驗(yàn)室更加安全，更加科學(xué)化。一系列傳感器多方位感知實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)狀態(tài)，多參量的數(shù)據(jù)處理使預(yù)警分級(jí)化。優(yōu)先處理高級(jí)預(yù)警，通過輔助參量調(diào)節(jié)預(yù)警級(jí)別，做到無漏報(bào)，無錯(cuò)報(bào)。智能調(diào)節(jié)溫濕度使實(shí)驗(yàn)室設(shè)備存放環(huán)境更加合理，這樣就提高了實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的安全性和科學(xué)性。

2.2 設(shè)備管理自動(dòng)化

設(shè)備管理子系統(tǒng)的設(shè)置使實(shí)驗(yàn)室更加自動(dòng)化，人機(jī)交互簡(jiǎn)單，同時(shí)也保證了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的安全性。系統(tǒng)硬件采用RFID，無需專人記錄，自動(dòng)識(shí)別臺(tái)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)登記。只要讓貼有標(biāo)簽的設(shè)備在自動(dòng)識(shí)別臺(tái)前的小平臺(tái)上經(jīng)過，即可完成登記，使系統(tǒng)更加自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)軟件包括庫(kù)存信息查詢、儀器添加、儀器修改和儀器刪除等功能。操作簡(jiǎn)單，無需安裝客戶端，打開瀏覽器即可運(yùn)行，人機(jī)交互友好[12]。

2.3 教學(xué)系統(tǒng)智能化

智能教學(xué)子系統(tǒng)的設(shè)置使實(shí)驗(yàn)更加高效，也方便了教師與學(xué)生間的相互交流。二維碼的設(shè)置使學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)設(shè)備使用方法，提高了實(shí)驗(yàn)效率。微信平臺(tái)的設(shè)置使實(shí)驗(yàn)進(jìn)度更加清晰明了，學(xué)生反饋更加全面，完成了學(xué)生和老師交流的便利化。同時(shí)可以發(fā)布實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)等各種信息，輔助實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室共享。

3 結(jié)束語

智能防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要從高效、安全性和信息交互幾個(gè)方面入手，將環(huán)境調(diào)節(jié)、設(shè)備管理和教育教學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，解決了實(shí)驗(yàn)室存在的一些問題，提高了實(shí)驗(yàn)室的管理水平和安全性。經(jīng)過測(cè)試和分析，本系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，基本功能齊備，今后會(huì)在功能多樣化、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和各模塊協(xié)調(diào)性等方面進(jìn)行完善。

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