王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學(xué) 電工電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，重慶 400044)

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新型電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)探究

王 唯， 楊 浩， 趙一舟

(重慶大學(xué) 電工電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，重慶 400044)

針對(duì)目前高校電工電子開放實(shí)驗(yàn)室“純?nèi)斯ぁ被颉鞍肴斯ぁ笔降墓芾硐麓嬖诘母鞣N安全隱患難以消除的問題，提出了一種“軟件智能化、硬件易實(shí)施、管理遠(yuǎn)程化、自助一體化、極高安全性”的新型電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的無線AP技術(shù)、電力載波技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)站建設(shè)技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)，集遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程音頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程語音提示、智能門禁管理、智能桌面電源管理以及自助式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)于一體，滿足了開放實(shí)驗(yàn)室無人現(xiàn)場值守情況下的各種運(yùn)行需求，實(shí)驗(yàn)室中心開放運(yùn)用中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放實(shí)驗(yàn)室利用率達(dá)到了80%以上，為高校電工電子開放實(shí)驗(yàn)室的安全、高效運(yùn)行提供了有力的保障。

實(shí)驗(yàn)室管理； 智能管理； 門禁系統(tǒng)； 視頻監(jiān)控系統(tǒng)； 智能電源管理

0 引 言

在推行自主創(chuàng)新型社會(huì)的大環(huán)境下，高校開放實(shí)驗(yàn)室無疑是培養(yǎng)高等創(chuàng)新型人才的主要陣地[1]。一個(gè)現(xiàn)代化的工科類實(shí)驗(yàn)室不僅是驗(yàn)證經(jīng)典理論的教室，更是一個(gè)對(duì)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性研究的平臺(tái)。因此，推進(jìn)高校電工電子開放實(shí)驗(yàn)室的高效、安全運(yùn)行是促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑[2]。

1 研究現(xiàn)狀

目前，我國高校的開放實(shí)驗(yàn)室基本上都還處于“教師+學(xué)生”式的純?nèi)斯す芾砘蛘呤恰敖處?學(xué)生+計(jì)算機(jī)”式的半人工管理階段[3]，該管理方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下，學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室組織實(shí)驗(yàn)的流程較為復(fù)雜，從而導(dǎo)致學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的積極性不高，開放實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置幾乎成為擺設(shè)。實(shí)驗(yàn)室開放的內(nèi)涵很豐富，但其最基本和最重要的體現(xiàn)是學(xué)生能自主進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房等場所，進(jìn)行獨(dú)立的、合作的學(xué)習(xí)和研究活動(dòng)，而不受限于管理人員的陪伴和僵化的作息時(shí)間表。但是，傳統(tǒng)的管理辦法難以為其提供保障[4]。

針對(duì)此問題，目前國內(nèi)有不少高校開展對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)室管理優(yōu)化的研究。貴州大學(xué)的基于STC89C54單片機(jī)、ZLG240128F觸摸液晶屏的實(shí)驗(yàn)室人員出入門禁管理和實(shí)驗(yàn)室預(yù)約開放系統(tǒng)[5]；西南科技大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的RFID門禁管理系統(tǒng)[6]；五邑大學(xué)的基于射頻識(shí)別技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線門禁系統(tǒng)與智能電源管理系統(tǒng)等[7]，實(shí)踐證明這些平臺(tái)的構(gòu)建提高了實(shí)驗(yàn)資源利用率、減少管理人員的工作量。但是，這些優(yōu)化方案都沒有實(shí)質(zhì)性、系統(tǒng)性地解決開放性實(shí)驗(yàn)室的管理難題。例如，未涉及到智能預(yù)約、智能門禁、遠(yuǎn)程視頻音頻監(jiān)控管理、遠(yuǎn)程答疑、智能手持設(shè)備操作、網(wǎng)站自助輔導(dǎo)、設(shè)備材料出入庫管理等適應(yīng)現(xiàn)代化開放性實(shí)驗(yàn)室的需求。從安全、便捷、人性化的角度出發(fā)，一套新型的、完善的針對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)室管理自動(dòng)化的控制系統(tǒng)亟待開發(fā)。

2 整體方案

針對(duì)當(dāng)前電工電子開放實(shí)驗(yàn)室在“教師+學(xué)生”式的純?nèi)斯す芾砘蛘呤恰敖處?學(xué)生+計(jì)算機(jī)”式的半人工管理中所暴露出的問題，提出了一種綜合全面的新型智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。圖1為電工電子智能化開放實(shí)驗(yàn)室布置圖，其中包括出入門禁、備用緊急通道、講臺(tái)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、焊接臺(tái)、答疑桌、材料柜、設(shè)備柜、暫存柜、視頻音頻監(jiān)控設(shè)備以及智能桌面電源。新型電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的主要功能如下：預(yù)約進(jìn)出入實(shí)驗(yàn)室、預(yù)約指定實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開斷、預(yù)約自取實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料、自助網(wǎng)上答疑、自助暫存取作品、遠(yuǎn)程視頻音頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程開關(guān)門、遠(yuǎn)程開關(guān)電源、遠(yuǎn)程語音對(duì)講。

圖1 電工電子智能化開放實(shí)驗(yàn)室布置圖

2.1 視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)

開放實(shí)驗(yàn)室的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)是其整個(gè)管理系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控的作用主要用于實(shí)驗(yàn)室消防安全、學(xué)生活動(dòng)內(nèi)容、學(xué)生人身安全、設(shè)備儀器出入、防盜竊監(jiān)督[8]。

(1) 實(shí)驗(yàn)室消防安全監(jiān)督。由于電工電子開放實(shí)驗(yàn)室屬于電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，涉及到大功率儀器設(shè)備的使用，存在一定的用電安全隱患。管理員通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通過遠(yuǎn)程喊話方式制止相關(guān)的存在消防安全隱患的不當(dāng)操作行為，或者是通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了正在發(fā)生的消防安全事故，管理員可以及時(shí)通知相關(guān)部門和人員及時(shí)到場救災(zāi)。

(2) 學(xué)生活動(dòng)內(nèi)容監(jiān)督。電工電子開放實(shí)驗(yàn)室主要是為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)驗(yàn)電工電子技術(shù)知識(shí)的場所，其中包括所需的儀器、設(shè)備和材料。為確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行電工電子實(shí)驗(yàn)相關(guān)的活動(dòng)，對(duì)于占用資源進(jìn)行其他非相關(guān)活動(dòng)的學(xué)生需要通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行排查和勸離，以保證實(shí)驗(yàn)室資源的有效利用。

(3) 學(xué)生人身安全監(jiān)督。由于電工電子開放實(shí)驗(yàn)室屬于電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，涉及到用電安全和消防安全，對(duì)現(xiàn)場操作的學(xué)生的人身安全存在一定的安全隱患。管理員可以通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止現(xiàn)場學(xué)生的不當(dāng)操作，以確保其人身安全。

(4) 設(shè)備儀器出入監(jiān)督。電工電子實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備出入管理是一項(xiàng)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。由于電工電子實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備種類繁多、數(shù)量巨大、借用人員復(fù)雜、借用期限上限較長等因素。管理員可以通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)點(diǎn)查實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器設(shè)備的類型和數(shù)量，如果發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備的丟失也可以借助回放功能追蹤丟失的儀器設(shè)備的軌跡動(dòng)向。

(5) 防盜竊監(jiān)督。由于開放實(shí)驗(yàn)室屬于無人現(xiàn)場值守區(qū)域，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的貴重儀器常常成為不法分子的覬覦之物。通過視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和回放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、實(shí)驗(yàn)室外走廊以及實(shí)驗(yàn)大樓出入口視頻、音頻監(jiān)控情況，為追蹤不發(fā)盜竊份子提供了有力的線索和證據(jù)[9]。

傳統(tǒng)的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是采用的有線連接方式實(shí)現(xiàn)終端監(jiān)控設(shè)備與集中控制平臺(tái)的連接，施工和后期的擴(kuò)展和維護(hù)時(shí)需要大量依賴施工單位。隨著安防領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡潔、方便的視頻音頻集中監(jiān)控安裝方法，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該方法免去了繁瑣的布線工作，實(shí)驗(yàn)室老師可以自己動(dòng)手完成安裝、維護(hù)以及擴(kuò)展工作，十分便捷。

圖2 開放實(shí)驗(yàn)室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用的是專人值守總控室的方法，該方法僅節(jié)約了值班人手，但是值班人員必須固定在一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控工作，特別是對(duì)于開放性實(shí)驗(yàn)室，寒暑假恰恰是學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的高峰期，管理員、教師輪班在本地總控室值守難以保證，所以亟待一種更加便捷的值班方式應(yīng)用到開放實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于流媒體的校園網(wǎng)內(nèi)家庭PC端、手持移動(dòng)端通過公網(wǎng)都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽、歷史回放、現(xiàn)場監(jiān)聽、遠(yuǎn)程喊話的智能監(jiān)控平臺(tái)，圖3、圖4分別為開放實(shí)驗(yàn)室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)端、PC端實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。這種方式大大提高了高校開放實(shí)驗(yàn)室管理的靈活性[10]。

圖3 開放實(shí)驗(yàn)室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

2.2 可預(yù)約式自助門禁系統(tǒng)

高校開放性實(shí)驗(yàn)室具有人員流動(dòng)性強(qiáng)、時(shí)間分配靈活等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的門禁權(quán)限發(fā)放方式已經(jīng)不適用。所以，根據(jù)高校開放性實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可預(yù)約式的自助門禁權(quán)限發(fā)放系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)：①結(jié)

圖4 開放實(shí)驗(yàn)室視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)PC端實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

合開放實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)上自助預(yù)約的審核結(jié)果自動(dòng)下發(fā)給相關(guān)學(xué)生在相對(duì)應(yīng)時(shí)間段的進(jìn)出門權(quán)限；②現(xiàn)場提前提示預(yù)約時(shí)間到期顯示，提醒學(xué)生離開教室；③在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)預(yù)約操作時(shí)間不沖突的情況下可允許學(xué)生通過網(wǎng)上延時(shí)申請(qǐng)給予相應(yīng)進(jìn)出門權(quán)限時(shí)間段的補(bǔ)充；④對(duì)于離預(yù)約時(shí)限不足20 min且相應(yīng)預(yù)約學(xué)生全部離開實(shí)驗(yàn)室的，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送短信通知返回；⑤可查詢歷史出入門記錄；⑥采用了UPS作為備用電源以適應(yīng)意外情況下的門禁系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.3 智能桌面電源控制系統(tǒng)

高校實(shí)驗(yàn)室的用電安全一直是學(xué)校安全管理工作的重點(diǎn)。特別是高校開放性實(shí)驗(yàn)室，用電安全問題不容忽視。用電安全事故一般包括電器火災(zāi)、人員電傷、設(shè)備損壞等，這些事故在高校實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行中都是不允許發(fā)生的。那么，急需一套完善的桌面電源管理系統(tǒng)來代替值班老師完成這一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。如圖5所示。基于電力載波技術(shù)的桌面電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是采用電力載波芯片QCA6410[12]，在單個(gè)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域(電力載波要求必須在一個(gè)回路中)設(shè)置一臺(tái)電力載波主機(jī)，為每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源插線板植入電力載波芯片，可以通過現(xiàn)有的電力線實(shí)現(xiàn)平臺(tái)服務(wù)器對(duì)指定實(shí)驗(yàn)桌桌面電源的管理[13]。

圖5 基于電力載波技術(shù)的桌面電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與可預(yù)約式自助門禁系統(tǒng)相似，其電源開斷的指令是根據(jù)綜合管理平臺(tái)的預(yù)約審核情況所定，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有學(xué)生刷卡進(jìn)入后會(huì)自動(dòng)下發(fā)開啟指令給該組學(xué)生所預(yù)約的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)桌電源，當(dāng)系統(tǒng)檢測到學(xué)生刷卡離開實(shí)驗(yàn)室且確定其結(jié)束實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)將自動(dòng)下發(fā)關(guān)閉指令給相應(yīng)實(shí)驗(yàn)桌電源，以有效控制用電安全事故的發(fā)生。

2.4 綜合管理平臺(tái)

綜合管理平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：學(xué)生預(yù)約(包括實(shí)驗(yàn)桌預(yù)約、設(shè)備預(yù)約、材料預(yù)約)、教師審核、網(wǎng)上自主答疑(包括教師網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)視頻演示)、門禁管理、桌面電源管理、遠(yuǎn)程視頻音頻監(jiān)控管理、現(xiàn)場語音提示等。其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有強(qiáng)交互性的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站平臺(tái)[14]。綜合管理平臺(tái)功能樹圖見圖6。

圖6 綜合管理平臺(tái)功能樹圖

針對(duì)其開發(fā)特點(diǎn)，選用了“Visual Basic.NET+SQL Server”的開發(fā)工具。在該平臺(tái)的設(shè)計(jì)上，考慮到了各種常見工況的發(fā)生，例如外力所致的門禁常開、預(yù)約時(shí)間將至但實(shí)驗(yàn)未完成、實(shí)驗(yàn)未結(jié)束但學(xué)生長時(shí)間離場等，都設(shè)置了相應(yīng)的處理措施。

3 結(jié) 語

高校電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)是一種新

型電工電子開放實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒了國內(nèi)外其他高校的開放性實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的技術(shù)，并結(jié)合了自身在開放實(shí)驗(yàn)室管理中遇到的種種問題，在多個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)以及完善補(bǔ)充?？紤]到施工成本以及維護(hù)成本，采用基本無需布線的無線AP技術(shù)以及電力載波技術(shù)，節(jié)約了大量的人力、物力和財(cái)力。在電工電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心開放實(shí)驗(yàn)室的試運(yùn)行中效果顯著，特別是在寒暑假期間，開放性實(shí)驗(yàn)室利用率達(dá)到了80%以上。不足的一點(diǎn)是由于綜合管理平臺(tái)的功能復(fù)雜，目前只完成了簡單的預(yù)約、門禁、視頻音頻模塊的功能，在后期的設(shè)計(jì)中再做具體研究。

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Research of New Type of Intelligent Management System for Electrical and Electronic Laboratory

WANGWei,YANGHao,ZHAOYi-zhou

(Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Mainly for the problem that various hidden dangers for safety are difficult to be eliminated under the pure artificial or semi-artificial management methods in electrical and electronic opening-laboratory in universities, a new type of intelligence management system has been invented. The system has intelligent software, simplistic hard, long-distanced management, incorporates self-service and high security. The system satisfies various operation requirements of the scene that no administrator in opening-laboratory because it sets the advanced wireless AP technology, electric power carrier, dynamic database technology, website construction technology and mobile Internet interactive technology. And the system’s application effect is obvious in opening laboratories of Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center of Chongqing University. Especially, during the winter and summer vacations, the open laboratory utilization rate reaches more than 80%.

laboratory management; intelligent management; entrance guard system; video monitoring system; intelligent power management

2015-11-15

王 唯(1989-)，男，湖北遠(yuǎn)安人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：實(shí)驗(yàn)室管理自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助設(shè)計(jì)。

Tel.：13983138855；E-mail:cqu_ww@126.com

TN 710；G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0273-04