張 鋒，馬學(xué)朝，李凱亮（廣東石油化工學(xué)院，廣東　茂名 525000）

基于嵌入式系統(tǒng)的創(chuàng)新實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

張 鋒，馬學(xué)朝，李凱亮
（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000）

針對電信學(xué)院當(dāng)前創(chuàng)新實驗室的現(xiàn)狀，結(jié)合先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S模式與C/S模式結(jié)合的方法，設(shè)計了一套分布式、網(wǎng)絡(luò)化的創(chuàng)新實驗室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)提高了管理效率，節(jié)約了人力資源，降低了信息化的成本，使創(chuàng)新實驗室在時間和空間上得以延伸，對創(chuàng)新實驗室建設(shè)有一定實際意義。

創(chuàng)新實驗室；射頻識別技術(shù)；ZigBee；管理系統(tǒng)

0　引言

目前我校提出了創(chuàng)新強(qiáng)校的辦學(xué)理念，大學(xué)生科技創(chuàng)新是電信學(xué)院的一個重要品牌，專門建立了大學(xué)生創(chuàng)新實驗室。近幾年電信學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新活動風(fēng)生水起，在各大競賽活動中屢創(chuàng)歷史新高。但是存在實驗室空間少，實驗室管理工作及信息處理基本是人工完成等不足，造成了信息資源不能共享、管理混亂，沒有實現(xiàn)創(chuàng)新實驗室應(yīng)有的功能。

創(chuàng)新實驗室管理系統(tǒng)是針對電信創(chuàng)新實驗室管理而設(shè)計開發(fā)的，基于數(shù)據(jù)庫的實驗室網(wǎng)絡(luò)化綜合管理系統(tǒng)提供了資源共享、實驗預(yù)約、實時監(jiān)控、資產(chǎn)管理、實驗考勤管理等功能［1］。該系統(tǒng)的開發(fā)既提高了管理效率，又可以節(jié)約人力資源，降低信息化的成本，使實驗室在時間和空間上得以延伸，同時對擴(kuò)展并加快信息化建設(shè)具有實際意義。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)整體采用B/S結(jié)構(gòu)體系，各設(shè)備間通過局域網(wǎng)相互連接，用戶使用瀏覽器完成網(wǎng)上教學(xué)管理和辦公等操作［2］。實驗室管理部分結(jié)合C/S模式開發(fā)了實驗室門禁軟件，客戶端PC通過采集讀卡器獲取的信息自動完成學(xué)生身份認(rèn)證［3］，記錄到達(dá)和離開實驗室時間，并實時監(jiān)控整個實驗室的情況。

系統(tǒng)由智能讀卡器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和終端PC構(gòu)成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

1.1門禁系統(tǒng)的設(shè)計

門禁管理子系統(tǒng)依托射頻識別技術(shù)和 ZigBee通信技術(shù)實現(xiàn)與上位機(jī)無線通信，采用Qt Creator編寫的上位機(jī)實現(xiàn)了簽到無紙化及無人值班化。門禁系統(tǒng)主要由射頻識別（RFID）模塊、ZigBee無線模塊、掉電保護(hù)模塊以及上位機(jī)組成［4］，結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。其工作流程是：ZigBee無線模塊把 RFID讀卡器讀取的 IC卡上的學(xué)生信息通過串口上傳給上位PC，PC通過對數(shù)據(jù)庫操作實現(xiàn)自動門禁控制以及對檔案的操作。

圖2　門禁系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

1.2管理系統(tǒng)設(shè)計

實驗室網(wǎng)站管理系統(tǒng)下設(shè)實驗室門戶、實驗教學(xué)管理、設(shè)備管理和實驗室管理4個子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　實驗室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）網(wǎng)站門戶：主要是供學(xué)生了解實驗室最新動態(tài)，共享實驗室資源，展示學(xué)生的作品，以此來提高學(xué)生創(chuàng)作的興趣，實驗室論壇則是一個促進(jìn)學(xué)生交流互動的專區(qū)［5］。

（2）實驗教學(xué)管理：將創(chuàng)新實驗室空間網(wǎng)絡(luò)化，自動采集學(xué)生預(yù)約、實時監(jiān)控等的全部數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)教師對創(chuàng)新實驗室實時智能管理等功能。

（3）設(shè)備管理：主要實現(xiàn)設(shè)備的檔案管理、設(shè)備使用記錄等各類報表的報批功能。

（4）實驗室管理：能夠自動統(tǒng)計各實驗室的使用記錄，同時可通過記載學(xué)生累計上機(jī)學(xué)習(xí)時間來考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動性。

1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)是為學(xué)校學(xué)生而開發(fā)的程序，需要充分考慮成本及用戶需求（如跨平臺）等問題。MySQL是目前最為流行的開放源碼的數(shù)據(jù)庫，是完全網(wǎng)絡(luò)化的跨平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［6］，正好滿足了學(xué)校用戶規(guī)模不大的需求，因此本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)對系統(tǒng)所做的需求分析，規(guī)劃出本系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)庫實體分別為學(xué)生檔案實體、教師實體、管理員實體、實驗室實體、設(shè)備實體和實驗課程預(yù)約實體等［7］。下面介紹兩個關(guān)鍵實體的E-R圖。

（1）學(xué)生檔案實體

學(xué)生檔案實體包括編號、姓名、學(xué)號、性別、聯(lián)系電話、電子郵件、所屬班級和備注等屬性。學(xué)生檔案實體的E-R圖如圖4所示。

圖4　學(xué)生檔案E-R圖

（2）教師檔案實體

教師檔案實體包括編號、姓名、性別、聯(lián)系電話、電子郵件和備注等屬性。教師檔案實體的E-R圖如圖5所示。

圖5　教師檔案E-R圖

2　系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1實驗室門戶的實現(xiàn)

（1）實驗室動態(tài)的實現(xiàn)

實驗室為學(xué)生和老師提供查看動態(tài)頁面，可以瀏覽最新的信息，也可以查看以前的動態(tài)信息，動態(tài)的更新則是在后臺由管理員來操作。在數(shù)據(jù)庫中建立一個專門用來存放動態(tài)信息的數(shù)據(jù)表，只有管理人員才能進(jìn)入后臺管理系統(tǒng)實現(xiàn)新增和修改操作，相應(yīng)的SQL語句則對應(yīng)Insert操作和Update操作。

（2）作品展示的實現(xiàn)

在作品展示模塊，學(xué)生可以自由地上傳自己的作品，不過需要管理人員的審核，只有符合審核標(biāo)準(zhǔn)的作品才會保留下來并展示在頁面上。上傳作品圖片的操作需 要 調(diào) 用move_uploaded_file（$_FILES［"image"］［" tmp_name"］［$i］，$filepath）方法，其中參數(shù) 1為圖片資源，參數(shù)2則是上傳到服務(wù)器的指定路徑。

（3）資源下載的實現(xiàn)

考慮到實驗室資源可能較多，針對資源的類型做了詳細(xì)的分類，這樣可以使用戶更易于尋找自己想要的資源。資源上傳的功能與作品展示差不多，只是操作由管理人員來完成。

（4）實驗室論壇

實驗室論壇是一個交流互動的平臺，學(xué)生可以在上面發(fā)表自己的建議和想法，也可以是相關(guān)疑問，不過都必須與實驗相關(guān)。學(xué)生發(fā)表內(nèi)容后需要管理人員審核。

2.2實驗教學(xué)管理的實現(xiàn)

（1）實驗室預(yù)約的實現(xiàn)

實驗室預(yù)約可以在最大程度上解決實驗室緊缺問題，學(xué)生也能根據(jù)自己需要來選擇實驗室［8］。實驗室預(yù)約按照教師提供的可選課時來選擇，如果沒有可選課時，則表示此實驗室為不可預(yù)約，系統(tǒng)中通過一個字段來表示課時信息。這里沒有遵循數(shù)據(jù)庫的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是考慮代碼實現(xiàn)的方便性以及此設(shè)計不影響可擴(kuò)展性，這個字段使用0和1加特殊符號來表示，0表示當(dāng)前的課時不可以預(yù)約，1則表示可以預(yù)約，查看實驗室是否可以預(yù)約也很方便，只需要檢索此字段中是否有1存在即可。學(xué)生在操作預(yù)約的同時系統(tǒng)也統(tǒng)計已經(jīng)預(yù)約的學(xué)生數(shù)量，與實驗室可容納的學(xué)生數(shù)量進(jìn)行對比，如果當(dāng)前人數(shù)少于可容納數(shù)量，則學(xué)生可以進(jìn)行預(yù)約操作，否則預(yù)約將會被拒絕。

（2）預(yù)約統(tǒng)計的實現(xiàn)

預(yù)約統(tǒng)計實現(xiàn)了未來一周內(nèi)各個實驗室的預(yù)約情況及歷史預(yù)約記錄兩個內(nèi)容。

實現(xiàn)未來一周內(nèi)的統(tǒng)計需要結(jié)合系統(tǒng)的當(dāng)前時間加以判斷，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表存儲相應(yīng)信息，包括預(yù)約人（這里指學(xué)生）、預(yù)約實驗室和預(yù)約時間等，對應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　學(xué)生與實驗室關(guān)聯(lián)表

（3）實驗成績查詢的實現(xiàn)

成績是由教師進(jìn)行錄入的，相應(yīng)的系統(tǒng)實現(xiàn)了一個教師錄入模塊，將對應(yīng)的學(xué)生實驗成績錄入到數(shù)據(jù)庫中，這樣學(xué)生便可登錄此管理系統(tǒng)查詢到自己的成績了。

2.3設(shè)備管理子系統(tǒng)的實現(xiàn)

設(shè)備管理主要包括新進(jìn)設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入、設(shè)備維護(hù)及報廢設(shè)備的處理［9］。

（1）新進(jìn)設(shè)備

設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)了一張數(shù)據(jù)表lab_equipment，操作只能由管理人員來完成，相應(yīng)的 SQL語句則對應(yīng)Insert操作。

（2）設(shè)備維護(hù)

設(shè)備維護(hù)指的是設(shè)備的維修與保養(yǎng)，每當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)與保養(yǎng)時，則在數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)添加一條記錄信息，用來保存維護(hù)設(shè)備需要的費(fèi)用、器材等，以便日后查看，相對的 SQL語句也是對應(yīng) Insert操作。

（3）設(shè)備報廢

設(shè)備報廢記錄表包括了報廢設(shè)備標(biāo)識、數(shù)量等，當(dāng)有設(shè)備報廢時則對應(yīng)設(shè)備表中的記錄做減1操作，SQL語句對應(yīng) Update操作。

2.4實驗室管理子系統(tǒng)的實現(xiàn)

當(dāng)符合射頻讀寫器天線工作頻率的IC卡電子標(biāo)簽接近讀寫器天線的有效查詢范圍時，讀寫器不斷地發(fā)送讀卡命令，若有符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽進(jìn)入天線識別范圍，便讀出其卡號，包括防沖突讀卡號、讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)，并通過蜂鳴器給出刷卡成功的信號；同時發(fā)送該卡的卡號至上位機(jī)，由上位機(jī)將其與數(shù)據(jù)庫的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，判斷是否為合法用戶并返回下位機(jī)的電磁鎖是否開信息。通過 ZigBee無線模塊返回操作指令至射頻識別模塊，從而完成開門、簽到和檔案操作［10］。掉電工作模塊在正常供電時不工作，只有在失去正常供電電源時才為射頻識別模塊以及 ZigBee無線模塊供電，保證了系統(tǒng)在掉電時仍然可以工作。ZigBee無線模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，避免了鋪設(shè)大量的信號線，同時使系統(tǒng)運(yùn)行在電池供電狀態(tài)時節(jié)省更多電量，使系統(tǒng)運(yùn)行時間更久。各個模塊之間的通信都采用異步半雙工方式，波特率固定設(shè)置為9 600 bit/s。

上位機(jī)軟件有簽到和檔案管理兩個子模塊。當(dāng)使用簽到模塊時，軟件開始監(jiān)測對應(yīng)計算機(jī)串口數(shù)據(jù)，并將所得到的卡號數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫匹配，數(shù)據(jù)庫驗證權(quán)限成功則返回簽到成功指令以及開門權(quán)限指令，同時等待下一個卡號數(shù)據(jù)的到來。檔案管理模塊可以將持卡人信息添加到數(shù)據(jù)庫里，支持信息的添加、修改、刪除以及多條件檢索，并且可以選擇是否給予該持卡人開門的權(quán)限。

3　結(jié)論

創(chuàng)新實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)了創(chuàng)新實驗室資源共享、宏觀監(jiān)控，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)潛能，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和實踐能力，提高了實驗室資源的利用率，提高管理人員對創(chuàng)新實驗室的管理水平，緩解了各種矛盾和壓力，有利于綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗項目的開展，培養(yǎng)出高質(zhì)量的應(yīng)用型人才，不斷促進(jìn)創(chuàng)新實驗室的全面發(fā)展。

［1］徐思東.基于網(wǎng)絡(luò)化的材料力學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)［J］.科技文匯，2011（1）：58-59.

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Design and implementation of the management system for innovation laboratory based on embedded system

Zhang Feng，Ma Xuechao，Li Kailiang
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

In view of the present situation of the innovation laboratory of the telecommunication institute，combining with the advanced embedded technology and computer network technology，combining B/S model with C/S model，this paper designs a distributed and networked management system for innovation laboratory.The development of this system can improve management efficiency，save human resources，and reduce the cost of information；the innovation laboratory can be extended in time and space，and has certain practical significance for the construction of the innovation laboratory.

innovation laboratory；RFID；ZigBee；management system

TP39

A

1674-7720（2015）02-0097-03

廣東省高等教育教學(xué)改革工程項目（BKZZ2011041）；廣東省高等教育教學(xué)成果獎培育項目（201139277）；廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目（201237，201261）；廣東石油化工學(xué)院教研項目（204925）

（2014-09-05）

張鋒（1979-），男，碩士，實驗師，主要研究方向：嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。