基于物联网的开放实验室信息管理系统

引言

随着高校教育教学改革的深入，开放实验室建设日益成为高校实验室建设中最重要的部分。针对开放实验室智能化管理的需求，从不同的角度出发，提出了许多开放实验室信息管理系统解决方案，如机房自动管理系统、针对全校实验室的校园开放实验室管理系统＞分级管理开放型实验管理系统、基于IC卡的高校实验室智能管理系统、基于RFID和ZigBee的开放型实验室、开放实验室智能管理系统、基于物联网开放实验室等，这些方案在实验室信息管理、人员管理、设备管理、实验项目管理、预约管理、系统管理、统计报表、教学资源管理等方面，不同程度实现了开放实验室的信息化管理，但除了计算机房以外，针对其它开放实验室，由于没有计算机及网络设备，大多存在自动化管理程度不高的问题，另外，在将普通实验室改造为开放实验室的过程中，存在布线困难等问题。针对这些问题，我们将物联网技术应用于开放实验室的智能化管理，设计了一种无线门禁系统与智能电源插座，本文以该无线门禁系统与智能电源插座,开发了一种基于物联网的开放实验室信息管理系统，该系统的应用，将进一步提高开放实验室的智能化管理水平。

1系统架构

本系统硬件主要由服务器、协调器、无线门禁系统和智能电源插座等部分组成叫协调器用于完成硬件系统（无线门禁系统和智能电源插座等）与服务器之间的通信，无线门禁系统完成进出实验室人员的身份识别，智能电源插座实现实验台的开关控制以及实验台电源的状态检测与过流保护。

软件系统采用B/S（Browser/Server）构架，分为前端客户机浏览器和服务器。客户端以HTTP协议向服务器发出访问请求，服务器接到请求后对这些请求进行验证，证明其合法性后进行数据处理，并将处理结果以HTML格式返回给客户机浏览器。服务器负责硬件系统的控制与和各个应用模块的管理，是系统核心部分。采用B/S结构客户端无需安装任何程序，可简化客户端电脑的载荷，给数据访问和应用程序执行带来极大便利，也大大降低了系统维护与升级的成本及工作量。

2系统设计

本系统的功能结构图如图1所示。其中，实验室基本信息管理、实验项目管理、预约管理、系统管理和现有的开放实验室信息管理系统基本相同，这里不再赘述。

2.1人员管理

人员管理模块将人员分为实验室领导、实验管理人员、实验指导老师、学生和访客5类，具备传统信息管理系统对人员信息的新建、修改、查询以及删除功能。稍有不同的是,新建部分通过发卡或注册方式录入人员的相关信息，并根据人员类型确定进出实验室以及使用实验室资源的权限（条件）。实验室领导可以进入所有实验室，并可登录信息管理系统,进入硬件设备管理模块，对实验室的硬件系统进行操纵；实验室管理人员可以进入所管辖的实验室，并可登录信息管理系统，进入各种管理模块，对其管辖的实验室所有软、硬件系统进行操纵；实验指导老师可以进入所带实验课的实验室,并可登录信息管理系统，进入硬件设备管理模块，对实验室的硬件系统进行操纵；学生需在进入实验室前进行注册，当有空闲实验台、账户余额或免费实验学时足够、信誉积分达标时，学生可以进入实验室，只能对分配的实验台进行操纵。信誉积分根据预约后是否爽约、是否恶意拖延实验时间、是否有意影响实验室环境等行为由实验管理人员进行评分；访客在进入实验室前发临时卡，划卡出入，离开时还卡，可根据需要，确定是否记录访客的相关信息，访客对实验室所有软、硬件系统不具备操纵权。通过对各类人员进出实验室的信息记录，实现考勤管理。

2.2仪器设备管理

仪器设备管理模块具备传统信息管理系统对实验仪器设备信息的新建、修改、查询以及删除功能，在此基础上，还增加了仪器设备使用的详细记录，以便由此自动计算设备利用率。当学生划卡进入实验室时，在通过身份验证后由系统分配指定的实验室台给学生，并给该实验台电源插座上电，系统自动记录该实验台上所有仪器设备的使用起始时间;学生完成实验后，再次划卡注销，系统自动记录对应实验台上所有仪器设备的使用结束时间，进而计算出仪器设备使用的时长，根据需要可计算其利用率。

2.3硬件系统管理

硬件系统管理，主要是对系统的硬件系统：门禁系统和智能电源插座进行管理，管理的对象还可进一步扩充到视频监控系统、照明控制系统、环境控制系统等，该模块是区别于现有开放实验室信息管理系统的核心模块。

门禁系统终端节点和电源插座终端节点组成ZigBee无线传感器网络，可通过协调器节点与程序服务器进行通信，协调器节点与服务器通过串口进行通信，其软件流程图如图2所示。

应用程序运行后，首先对串口和电磁锁及电源插座进行初始化，然后等待任务事件发生。具体任务事件有以下几类：

（1）实验室领导、实验室管理人员和实验指导老师登录信息管理系统后，直接发出指令控制电磁锁和电源插座的开关（可指定实验台号或全部打开和全部断开）。

（2）当服务器接收到串口数据为RFID数据时，进行身份验证，若通过验证，则记录是奇数次划卡还是偶数次划卡,以判断是进门还是出门。若是奇数次划卡，则认为是进入实验室，进一步判断人员身份，若是实验室领导、实验室管理人员和实验指导老师，则发出开锁指令、讲台和办公桌电源打开指令；若是访客，则发出开锁指令；若是学生，再进一步判断是否满足进入实验室条件（有空闲实验台、账号余额或免费实验学时足够、信誉积分达标），若条件满足，则分配实验台号，发出开锁和打开实验台电源指令。上述过程在发出开锁指令时，同时向门禁系统发出相应的人员提示信息，并记录进入实验室时间。若为偶数次划卡，则认为是离开实验室，关闭相应的电源插座，记录人员离开实验室的时间。若身份验证不通过，则只向门禁系统发出相应的提示信息。

（3）当服务器接收到串口数据为电源插座打开状态数据时，则显示相应插座的开关信息。

当服务器接收到串口数据为电源插座过流信息时,则发出关闭该插座电源指令，同时发出过流报警信息。

当程序服务器接收到串口数据为门打开时间超时报警信息时，则发出门打开超时报警信息。

当发出开锁指令5s后，若门未被打开，则发出关闭电磁锁指令。

门禁系统和实验台电源的初始化状态都是关闭，只有收到打开的指令，相关人员才能进入实验室。为防止停电后电磁锁打不开，可以配置备用电源，另外，还可以用钥匙开锁。

3数据库设计

本系统采用关系模型SQLServer2005进行数据库设计,并使用SQL语句进行数据库开发。数据库中包含实验室人员信息、实验室基本信息、仪器设备信息、硬件设备信息、实验项目信息、预约审批信息等多张表。由于数据库中有大量复杂的数据，因此对于表的设计应特别注意，表的个数应尽量减少,表中属性应尽量直观，数量也要适中，各个表之间有关联的情况也尽量做到精准，这样就可以保障对数据库操作的正确性。

4系统调试

系统调试可以分为如下几步：

对门禁系统、智能电源插座和协调器节点等硬件系统进行调试，保证其正常通信能力和自动控制能力；

分别以实验室领导、实验管理人员和实验指导老师的身份登录实验室信息管理系统，输入用户名和密码，可以进入系统首页，对权限范围内的模块进行操作。其中，硬件设备管理模块的操作界面如图3所示，在该模块中，可以进行串口设置；可以直接控制门禁系统开(关)门，直接控制智能插座打开(关闭)实验台电源；可以显示门打开超时报警信息和电源插座过流信息;可以显示进出人员的信息；

分别对其它模块进行调试，使之符合预期设计。

限于篇幅，其他方面本文就不再一一陈述。

5结语

本文基于无线门禁系统和智能电源插座，设计了一种基于物联网的开放实验室信息管理系统，有效解决了传统开放实验室管理自动化程度不高、实验室改造过程中布线困难等问题；可以保障不同身份的人员进出实验室后对实验室资源的使用权限，实验室管理人员可以通过网络实时查看实验室内人员和设备的状态；可以实现开放实验室无人化(或少人化)管理，从而节约管理成本，提高管理效率，提升管理水平。

图3硬件设备管理模块操作界面

本开放实验室的硬件设备管理对象还可进一步扩充到视频监控系统、照明控制系统、环境控制系统等，结合物联网技术，可以真正实现开放实验室的智慧化管理。

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