智能開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的設(shè)計和實踐

吳琦 肖李文 茍燕 何裕琨

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省都江堰市 611830）

1 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的建設(shè)背景及功能需求分析

1.1 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的建設(shè)背景

開放實驗室的建立，是為了學(xué)生能夠方便、自主的學(xué)習(xí)，進行一系列的實踐創(chuàng)新[1]。國內(nèi)本科院校在實驗室開發(fā)及管理上做了很多嘗試，例如：天津理工大學(xué)提出了基于學(xué)科競賽驅(qū)動的實驗室開放模式。不但有效地提高了實驗室開放質(zhì)量，而且在學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)與發(fā)展上發(fā)揮了重要作用[2]；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了教學(xué)與科研實驗室協(xié)同開放的管理和運行機制[3]；西安電子科技大學(xué)提出了借助校企聯(lián)合培養(yǎng)基地加大實驗室開放舉措，構(gòu)建學(xué)生自主管理新模式[4]。但目前大多數(shù)高職院校的實驗室開放程度都很低[5]，面向創(chuàng)新實踐已經(jīng)不能滿足師生的進一步需求，要提高實驗質(zhì)量、提升實驗室建設(shè)水平，實現(xiàn)資源的合理配置、高效共享, 則必須實行實驗室的有效開放。[6]

1.2 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的功能需求

在實驗室開放的過程中，除了要考慮實驗室安全因素之外，還有多種因素直接影響了實驗室開放的程度，例如：實驗室同一時間段為多少學(xué)生開放，學(xué)生怎么才能獲得進入實驗室的資格，實驗室現(xiàn)場是否要人值守，如果實驗室現(xiàn)場無人值守又怎樣對學(xué)生資格進行審核和判定，學(xué)生進入實驗室后又能有多少時間進行實踐，如果學(xué)生超時實驗室現(xiàn)場又怎么處理，怎么保障實驗過程中學(xué)生的人身安全和實驗室的設(shè)備儀器安全等等。

以我校智能開放式實驗室管理系統(tǒng)為例，針對以上因素，將開放式實驗室管理分為了實驗室管理平臺和現(xiàn)場管理系統(tǒng)兩大部分，其中實驗室管理平臺主要實現(xiàn)學(xué)生用戶的在線人臉注冊，對實驗室區(qū)域預(yù)約狀態(tài)的在線查詢，預(yù)約實驗項目的在線填寫等功能。

開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)則主要需要實現(xiàn)四大功能：

（1）學(xué)生在線預(yù)約的信息對接，包括：學(xué)生人臉信息、預(yù)約時間、預(yù)約實驗區(qū)域等；

（2）預(yù)約時間段內(nèi)，學(xué)生現(xiàn)場的人臉識別；

（3）預(yù)約實驗區(qū)域的信息化管理，包括：電源管理、設(shè)備管理等；

（4）實驗室各區(qū)域運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，包括：實驗區(qū)域、實驗人員、實驗設(shè)備等。

圖1：開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2.1 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)主要由核心處理器、觸摸屏、攝像模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、門控模塊、實驗區(qū)域電源管理模塊以及供電電路多個部分組成，如圖1 所示。

其中，系統(tǒng)用stm32 作為中央處理單元，主板由電源電路提供12V 供電，通過驅(qū)動接口電路實現(xiàn)攝像頭和RGBTFTLCD 液晶屏的控制，攝像頭用于人臉識別，液晶屏用于人臉圖像識別結(jié)果顯示，下位機系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)通信采用TCP 網(wǎng)口方式進行，存儲單元由SD 卡和FlashROM 組成用于圖像、通信數(shù)據(jù)的存取，門禁控制和實驗區(qū)域電源管理實現(xiàn)實驗室現(xiàn)場的智能管理。

2.2 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的主要元器件選型分析及電路設(shè)計要點

本系統(tǒng)的核心處理芯片既需要快速進行圖像采集和識別，又需要高速與上位機進行數(shù)據(jù)通信。市場上主流的處理芯片主要有單片機、FPGA、ARM 等，其中單片機應(yīng)用廣泛，成本低廉，但速度和數(shù)據(jù)處理能力較低；FPGA 速度和數(shù)據(jù)處理能力好，但編程復(fù)雜；ARM 近幾年應(yīng)用大幅增加，速度和數(shù)據(jù)處理能力較好，成本較低。本系統(tǒng)結(jié)合價格因素，考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量較大、需要具備TCP 網(wǎng)口通信功能，因此選用ST 公司的ARM?Cortex?-M7 系列的STM32F767IGT6 芯片，該芯片最大的工作頻率可達216MHz，還支持圖像格式轉(zhuǎn)換功能，在數(shù)據(jù)處理以及算法運算速度的性價比較高，能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

本系統(tǒng)的攝像模塊選用OV5640，該模塊像素為500 萬，能夠獲取更清楚的信息，而且攝像頭的幀率能最大增大到60fps，還有自動曝光、自動白平衡、自動對焦等多項功能，能滿足本系統(tǒng)的圖像錄入設(shè)計要求。本系統(tǒng)的內(nèi)存和存儲芯片分別采用W9825G6KH芯片和W25Q256 芯片，其中W9825G6KH 是一種高速同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM），提供高達200M 字節(jié)的數(shù)據(jù)帶寬和高達200MHZ 的頻率，而W25Q256 是一種串行通信的Flash Rom，存儲空間為256Mbit，擦寫周期多達10 萬次，最高時鐘頻率可達 104MHz，具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，兩款芯片能滿足本系統(tǒng)的運行和存儲要求。

本系統(tǒng)的核心板是采用STM32F767IGT6 單片機作為主體，用來控制攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)存的分配以及保存，RGB 屏的顯示等功能。本系統(tǒng)的驅(qū)動接口電路主要涉及攝像驅(qū)動和液晶驅(qū)動兩大部分。其中，攝像驅(qū)動部分，采用Ov5640 攝像頭作為圖像的采集，采用DVP 輸出接口接收外部 CMOS 攝像頭模塊發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，攝像驅(qū)動部分的供電電壓為3.3V；液晶驅(qū)動部分，采用7 寸RGB TFTLCD 作為信息的顯示，可支持5 點同時觸摸，液晶供電部分采用外部5V 供電。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，采用支持10MbPS（10BASE-T） 和100MbPS（100BASE-TX）操作的LAN820A/LAN820AI 芯片作為數(shù)據(jù)傳輸核心，主要實現(xiàn)與上位機平臺的TCP網(wǎng)線通信。

3 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

現(xiàn)場管理系統(tǒng)采用Keil 公司推出的Keil MDK v5 版本作為開發(fā)環(huán)境，軟件主要包括人臉識別、網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場管理三大部分，其主要功能的設(shè)計如下。

3.1 人臉識別功能的軟件設(shè)計

現(xiàn)場管理系統(tǒng)的人臉識別軟件主要實現(xiàn)對學(xué)生在開放式實驗室管理平臺錄入的人臉信息與現(xiàn)場拍攝采集的人臉信息進行對比，判斷是否有預(yù)約以及是否在預(yù)約時間段的現(xiàn)場審核功能，主要流程為：當(dāng)學(xué)生來到實驗門口，LCD 觸摸屏判斷是否觸摸了LCD 屏→LCD觸摸后，觸發(fā)人臉識別功能，攝像頭開始初始化準備進行拍照→拍照后將信息存到SDRAM 中進行緩存→通過DMA 將數(shù)據(jù)在LCD顯示屏上進行顯示→中央控制單元按時間因素進行處理，從SD 內(nèi)存卡接收的上位機預(yù)約者信息中調(diào)取當(dāng)前時段的預(yù)約人臉信息，將攝像頭采集的人臉信息與之對比查找→如果人臉信息對比成功，則對應(yīng)調(diào)用現(xiàn)場門禁和實驗區(qū)域電源管理功能，并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信功能，將預(yù)約者的數(shù)據(jù)實時反饋；如果對比不成功，則在LCD 屏中顯示對應(yīng)的失敗信息。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信功能的軟件設(shè)計

現(xiàn)場管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信軟件主要實現(xiàn)定時向上位機獲取該時段內(nèi)的預(yù)約學(xué)生的姓名、學(xué)號、人臉圖片、預(yù)約區(qū)域等數(shù)據(jù)信息，以及向上位機回傳預(yù)約成功的相關(guān)信息；向上位機獲取信息的主要流程為：判斷當(dāng)前時間是否在這天的預(yù)約時間段→如果在預(yù)約時間段，建立TCP 通信與上位機進行握手連接→系統(tǒng)向上位機發(fā)送獲取本次時間段的預(yù)約信息的校驗信息命令→上位機接受命令后向系統(tǒng)發(fā)送本次時間段的學(xué)生的姓名，學(xué)號，照片，預(yù)約區(qū)域等預(yù)約信息→系統(tǒng)逐次接受信息并進行CRC 校驗→校驗成功后把每次的信息存儲到SD 內(nèi)存卡中→在判斷信息是否接受完成→接受完成后，系統(tǒng)主動斷開連接。向上位機回傳信息的主要流程為：當(dāng)預(yù)約者現(xiàn)場人臉對比成功后，重新建立TCP 通信與上位機進行握手連接→系統(tǒng)向上位機發(fā)送回傳信息的校驗指令→系統(tǒng)將預(yù)約者進入實驗室的實時時間和實驗區(qū)域的電源狀態(tài)等信息打包向上位機進行回傳→上位機接收回傳信息完成后，反饋校驗信息→系統(tǒng)判斷校驗信息成功后，主動斷開連接。

3.3 現(xiàn)場管理功能的軟件設(shè)計

圖2：開放式實驗室管理系統(tǒng)在線“人臉注冊”操作

現(xiàn)場管理系統(tǒng)的現(xiàn)場管理軟件主要實現(xiàn)人臉識別通過之后的實驗室門禁管理和實驗區(qū)域電源管理，門禁管理的主要流程為：當(dāng)學(xué)生人臉識別評定通過后，調(diào)用現(xiàn)場管理模塊，打開門禁→判斷預(yù)約者是否已經(jīng)進入→若進入，則關(guān)閉門禁、開啟對應(yīng)實驗區(qū)域的電源；若未進入，定時關(guān)閉門禁，重置現(xiàn)場管理模塊。實驗區(qū)域電源管理主要流程：判斷學(xué)生是否進入實驗室→進入后，遠程開啟預(yù)約區(qū)域電源→實驗過程中，將已開啟的實驗區(qū)域的電源開關(guān)狀態(tài)實時回調(diào)至上位機→當(dāng)學(xué)生預(yù)約時間快到之前，按結(jié)束前15 分鐘、10 分鐘、5 分鐘，分三次調(diào)用區(qū)域語音模塊進行現(xiàn)場語音提示→當(dāng)預(yù)約的時間已經(jīng)結(jié)束，自動斷開該實驗區(qū)域電源；若預(yù)約者提前離開，需按下實驗區(qū)域的提前結(jié)束按鍵，關(guān)閉所在實驗區(qū)域的電源→實驗區(qū)域電源關(guān)閉后，系統(tǒng)回傳上位機實驗區(qū)域電源的狀態(tài)以及關(guān)閉原因（例如：預(yù)約時間是自然結(jié)束還是提前結(jié)束離開等）。

4 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的應(yīng)用流程

開放式實驗室管理系統(tǒng)已在我校投入運行，應(yīng)用過程是與“實踐教學(xué)服務(wù)與管理平臺”結(jié)合使用的，具體應(yīng)用流程如下：

4.1 平臺在線人臉錄入

如圖2 所示，學(xué)生在“實踐教學(xué)服務(wù)與管理平臺”成功完成理論測試和設(shè)計實驗步驟后就可以進行實驗室的預(yù)約，學(xué)生在預(yù)約實驗的過程中，將會自動跳轉(zhuǎn)至“智能開放式實驗室管理系統(tǒng)”；如果是第一次進入這個系統(tǒng)，將會進行“人臉識別”的在線注冊。具體流程：進入“人臉錄入”頁面，自動啟動電腦攝像頭，并在頁面左側(cè)將攝像頭所拍攝的信息進行實時顯示→點擊該區(qū)域下方的“人臉截圖”，進行人臉拍照和照片的存儲，預(yù)存的照片在頁面右側(cè)顯示→人臉拍照完成后，點擊“上傳截圖”，后臺將人臉照片信息和預(yù)約學(xué)生的學(xué)生信息一并打包進行數(shù)據(jù)存儲，從而完成人臉注冊功能。

4.2 實驗室預(yù)約狀態(tài)在線查詢

學(xué)生完成人臉注冊后，可點擊進入實驗室預(yù)約狀態(tài)查詢界面，通過左側(cè)的條件選擇區(qū)，選擇準備查詢的預(yù)約日期、系部、實驗室編號、實驗類型（常規(guī)類、創(chuàng)新類），查詢右側(cè)對應(yīng)實驗區(qū)域的可預(yù)約狀態(tài)，并且可以查看不同實驗區(qū)域的設(shè)備、材料和所能實施的實驗類型。

4.3 實驗室預(yù)約信息在線填寫

學(xué)生完成實驗室預(yù)約狀態(tài)的查看后，點擊準備預(yù)約的實驗區(qū)域，進入實驗室預(yù)約信息填寫界面，分別需要填寫學(xué)號、班級，選擇課程科目、選擇對應(yīng)課程科目的實驗項目，并且可簡單瀏覽右側(cè)的實驗介紹（包括：實驗設(shè)備、實驗材料、實驗內(nèi)容簡介）。

4.4 實驗室現(xiàn)場驗證

學(xué)生完成實驗室的在線預(yù)約后，只有在預(yù)約規(guī)定的時間內(nèi)，到達實驗室現(xiàn)場進行人臉識別，才能通過現(xiàn)場驗證進入實驗室，并啟動對應(yīng)預(yù)約區(qū)域電源進行實驗；無論是在預(yù)約時間之前，還是在預(yù)約時間段已經(jīng)結(jié)束之后，在實驗室現(xiàn)場進行人臉識別，現(xiàn)場LCD屏都會顯示“當(dāng)前時間段，預(yù)約者信息不匹配”，都無法通過現(xiàn)場驗證。

5 開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果

開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)經(jīng)過校內(nèi)現(xiàn)場試運行，實現(xiàn)了將普通的電子實驗室改造為從早到晚、一周七天都開放的實驗環(huán)境，有近20%的學(xué)生開展了創(chuàng)新實驗項目，人數(shù)相對以往統(tǒng)計結(jié)果提升了1 倍以上[5]，系統(tǒng)運行的故障率穩(wěn)定在低水平，達到了設(shè)計的預(yù)期效果。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)應(yīng)用統(tǒng)計結(jié)果顯示，開放式實驗室現(xiàn)場管理系統(tǒng)能簡化實驗預(yù)約審批流程，提高實驗室的使用效率，提高設(shè)備資源的利用率，但在實際應(yīng)用中，還需要圍繞實驗室的精細化管理繼續(xù)優(yōu)化。