王婷婷 于大海

摘 ?要： 早期實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)預(yù)約效果差，已經(jīng)無法滿足用戶需求，為了避免以往系統(tǒng)帶來的弊端，提出基于紅外傳感監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制模塊、管理模塊和監(jiān)控模塊，其中，控制模塊包括門控和燈控，通過在門上安裝普通磁力鎖，附帶門磁裝置，能夠直接控制開關(guān)，并及時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。采用繼電器控制PT8A2621型號(hào)紅外線感應(yīng)式人體燈控芯片，并分析各個(gè)引腳的連接情況。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約和用戶預(yù)約管理模塊，使用W5500集成TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)管理模式下的預(yù)約監(jiān)控。采用JAVA語言開發(fā)終端應(yīng)用程序，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，利用紅外傳感監(jiān)測技術(shù)研究用戶申請數(shù)據(jù)和安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并分析實(shí)驗(yàn)室預(yù)約流程，得到用戶登錄時(shí)序圖，以此設(shè)計(jì)審核流程，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)預(yù)約效果最高可達(dá)到99.01%，為實(shí)驗(yàn)室合理應(yīng)用提供了系統(tǒng)支持。

關(guān)鍵詞： 紅外傳感監(jiān)測; 實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng); 門控; 燈控; 預(yù)約管理; 登錄時(shí)序

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP311.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0150?05

Design of open laboratory system based on infrared sensor monitoring

WANG Tingting， YU Dahai

（Changchun Guanghua University， Changchun 130000， China）

Abstract： The booking effect of the early open laboratory system is poor， which can not meet the needs of users. In view of this， an open laboratory system design based on infrared sensor monitoring is proposed to avoid the drawbacks of the previous system. The control module， management module and monitoring module are designed according to the hardware structure， among which the control module includes gate control and light control. By installing a common magnetic lock on the door and attaching a door magnetic device， the switch can be directly controlled and the alarm signal can be sent in time. The PT8A2621 infrared induction human body light control chip is controlled by relay， and the pin connections are analyzed. The management modules of laboratory reservation and user reservation are designed， and W5500 is used to integrate the TCP/IP protocol stack to realize reservation monitoring under management mode. The terminal application programme is developed by JAVA language to build a unified database. The user application data and secure storage data are researched by infrared sensor monitoring technology， then the laboratory reservation process are analyzed to get the user login sequence diagram， so as to design the audit process and complete the system design. The simulation results show that the booking effect of the system can reach 99.01%， which provides system support for rational laboratory application.

Keywords： infrared sensor monitoring; open laboratory system; gate control; light control; reservation management; login sequence

0 ?引 ?言

目前實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前教學(xué)需求，一旦確定排課時(shí)間就無法隨意修改，造成該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的其他設(shè)備無法使用，大大降低了實(shí)驗(yàn)室使用效率[1]。由于開放實(shí)驗(yàn)室面對學(xué)生數(shù)量較為龐大，對于不同專業(yè)使用的設(shè)備也沒有明確限制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間不合理，無法保證每個(gè)學(xué)生都具備適合的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[2]。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室還存在設(shè)備利用效率低、管理體制落后、實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排不合理等問題，嚴(yán)重阻礙了科研技術(shù)的發(fā)展[3]。

本文利用現(xiàn)代化技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信息化建設(shè)，以此提高師生學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)是一個(gè)信息化的管理方式，通過多個(gè)資源、信息整合和使用來改變師生參與實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，為實(shí)驗(yàn)室開放提供全面服務(wù)[4]。建立實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)不僅可以擴(kuò)大師生在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的內(nèi)容，還可滿足課程教學(xué)創(chuàng)造性需求。根據(jù)以往構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出的基于紅外傳感監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下研發(fā)的，不僅具有多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序，還能提供有效網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在這些技術(shù)的支持下，該系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)快速通信，具有良好的兼容性。

1 ?實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路就是放寬管理人員權(quán)限，不僅需要調(diào)控實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式，還需調(diào)整實(shí)驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)而滿足用戶需求[5]。用戶需要根據(jù)自己的時(shí)間、場地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，管理人員則需及時(shí)分析用戶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過系統(tǒng)作出評價(jià)。為了同時(shí)滿足用戶與管理人員的需求，需設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能。

基于紅外傳感監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

由圖1可知，用戶進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)遵守實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，而該系統(tǒng)在傳統(tǒng)管理方式的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)體系和服務(wù)方式，采用如圖1所示的總體結(jié)構(gòu)，可對在規(guī)定時(shí)間未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的用戶提醒，而用戶也可通過該系統(tǒng)查詢最近的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約時(shí)間[6]。

2 ?結(jié)構(gòu)體系

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

由圖2可知：紅外傳感監(jiān)測是以紅外線為介質(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)，按照功能可劃分為輻射計(jì)、搜索和跟蹤、熱成像、紅外測距、混合通信。通過紅外傳感監(jiān)測無需重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞[7]。管理員通過系統(tǒng)設(shè)置，給有需要的用戶預(yù)約時(shí)間，提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)，就可完成硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。

2.1 ?控制模塊

硬件控制模塊是對門控、燈控和設(shè)備進(jìn)行管理，管理人員通過門控和燈控發(fā)送報(bào)警信號(hào)，再由設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.1.1 ?門控管理

在門上安裝普通磁力鎖，附帶門磁裝置，能夠直接反映它的開關(guān)狀態(tài)[9]。如果實(shí)驗(yàn)室門沒有在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)關(guān)上，則說明有異常情況發(fā)生，此時(shí)門磁裝置發(fā)送信號(hào)，通過門控控制器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

單門實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

通過收集指紋數(shù)據(jù)來修改用戶信息，可將修改后的指紋數(shù)據(jù)傳輸?shù)介T控網(wǎng)點(diǎn)指紋儀上，為某個(gè)門控網(wǎng)點(diǎn)出入權(quán)限進(jìn)行設(shè)置[10]。

根據(jù)圖3所示原理，設(shè)計(jì)門控結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4中計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與門控控制器連接，對出入門人員進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)中進(jìn)行管理，通過儲(chǔ)存、查詢、打印，可在異常情況下采取門禁應(yīng)急措施[11]。

2.1.2 ?燈控管理

采用PT8A2621型號(hào)芯片作為大規(guī)模集成電路的主要芯片，適用于紅外線感應(yīng)式人體燈控。采用繼電器控制方式能夠應(yīng)用于走廊、實(shí)驗(yàn)室的照明[12]。

燈控管理內(nèi)部電路圖如圖5所示。

圖5中各個(gè)引腳所對應(yīng)的功能依次為：O1和O2分別為第一級(jí)和第二級(jí)運(yùn)放輸出端;N1和N2分別為第一級(jí)和第二級(jí)運(yùn)放反相輸入端;P1和P2分別為第一級(jí)和第二級(jí)運(yùn)放同相輸入端;OSC1和OSC2分別表示輸出驅(qū)動(dòng)繼電器持續(xù)時(shí)間和系統(tǒng)工作頻率;VEE表示內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出端;VCC表示電源端;GND表示接地端;Relay表示繼電器驅(qū)動(dòng)輸出端;ZC表示交流過零檢測端。由于ZC引腳輸入信號(hào)需要過零檢測，因此，當(dāng)信號(hào)消失時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間3 s時(shí)，芯片將重新初始化，此時(shí)初始時(shí)間為35 s，上邊引腳外接電容對其內(nèi)部不會(huì)造成影響[13]。

2.2 ?管理模塊

管理模塊主要對實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、用戶預(yù)約進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，保證實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能夠被充分利用。

2.2.1 ?實(shí)驗(yàn)室預(yù)約

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約不但可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約信息管理，還能實(shí)現(xiàn)對用戶信息管理。管理人員預(yù)約模塊是在用戶選擇預(yù)約時(shí)間的基礎(chǔ)上，將信息與安排內(nèi)容同時(shí)輸入主機(jī)之中，根據(jù)安排情況與用戶實(shí)際情況進(jìn)行一定調(diào)整，由此自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約表，并將該表提供給用戶，供設(shè)備入庫、出庫、歸還、損壞等及時(shí)作出更新決策。

2.2.2 ?用戶預(yù)約

用戶預(yù)約具有一般時(shí)間安排功能，對用戶專門實(shí)驗(yàn)進(jìn)行安排與管理。用戶也可通過主機(jī)查看已經(jīng)安排好的預(yù)約情況，并查看其他空閑時(shí)間，提出合理實(shí)驗(yàn)申請。

管理人員針對開放實(shí)驗(yàn)室具體情況作出相應(yīng)安排，隨時(shí)查看已經(jīng)選好實(shí)驗(yàn)時(shí)間的用戶，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出評價(jià)，根據(jù)評價(jià)內(nèi)容可再次向管理人員提出預(yù)約申請。

2.3 ?監(jiān)控模塊

使用紅外傳感設(shè)備能夠抵抗外界強(qiáng)光干擾，并具備電平型和脈沖型兩種驅(qū)動(dòng)方式，使用W5500集成TCP/IP協(xié)議棧為系統(tǒng)提供簡易網(wǎng)絡(luò)連接方式。監(jiān)控模塊由走廊和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控構(gòu)成，使用紅外傳感監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控全覆蓋，以此提高設(shè)備使用安全性。

3 ?功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要使用JAVA語言開發(fā)終端應(yīng)用程序，選擇SQLServer 2005數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上應(yīng)用紅外傳感監(jiān)測技術(shù)，充分實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放功能。

實(shí)驗(yàn)室開放數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)需要構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，使軟件數(shù)據(jù)都能從該數(shù)據(jù)庫中提取，這是完成實(shí)驗(yàn)室開放式管理的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過紅外傳感監(jiān)測到的開放實(shí)驗(yàn)室用戶申請數(shù)據(jù)，可用式（1）來表示：

[Mxmin=i=1naiytix+bhx] （1）

式中：[Mxmin]表示用戶申請所發(fā)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果最小值;[x]為原始數(shù)據(jù)變量;[y1，y2，…，yn]表示處理過程中損失的數(shù)據(jù);[h]為正則化系數(shù);[b]為共軛系數(shù);[a]為對偶處理過程中數(shù)據(jù)變量;[t]為正則化正參數(shù)。

通過紅外傳感介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全存儲(chǔ)的公式為：

[Mrmin=i=1nai-ri-bh1bi=1nyiri] （2）

式中：[Mrmin]表示數(shù)據(jù)安全最低值;[r]為安全級(jí)別數(shù)據(jù)變量。

采用紅外傳感監(jiān)測技術(shù)對用戶申請數(shù)據(jù)和安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到監(jiān)測結(jié)果，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約流程：

1） 用戶登錄系統(tǒng)，相關(guān)項(xiàng)目開放展示;

2） 登錄選擇開放性項(xiàng)目，選擇某一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;

3） 用戶選擇結(jié)果提交后，選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備與時(shí)間;

4） 管理人員對用戶申報(bào)項(xiàng)目進(jìn)行審核;

5） 通過資格審核，根據(jù)用戶選擇設(shè)備和時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)安排;

6） 系統(tǒng)安排后，用戶可從網(wǎng)站上查詢預(yù)約情況。

預(yù)約流程中的用戶登錄時(shí)序設(shè)計(jì)如圖6所示。

由圖6可知：用戶啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)后，立即出現(xiàn)用戶登錄界面，用戶在登錄界面對話框中輸入用戶信息，并向系統(tǒng)界面發(fā)出確認(rèn)信息。一旦完成信息交流后，啟動(dòng)身份確認(rèn)模塊，驗(yàn)證輸入信息是否正確，如果正確，則迅速登錄，并顯示相應(yīng)界面;如果錯(cuò)誤，則在登錄界面發(fā)出預(yù)警信息，要求該用戶退出。

根據(jù)時(shí)序圖，開放實(shí)驗(yàn)室管理人員需要及時(shí)審核用戶預(yù)約結(jié)果，具體審核流程如下：

步驟1：開放實(shí)驗(yàn)室管理人員進(jìn)入審核界面后，需查看審核信息;

步驟2：進(jìn)入預(yù)約時(shí)間后，選擇一個(gè)預(yù)約時(shí)間;

步驟3：選擇申請信息，查看審核是否通過;

步驟4：如果審核通過，則需將結(jié)果反饋給用戶;如果審核未通過，則需提交未通過表單，并反饋給用戶。

根據(jù)上述內(nèi)容，可完成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。

4 ?仿真實(shí)驗(yàn)

在Web服務(wù)器端開發(fā)環(huán)境下，采用某實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)集，作為基于紅外傳感監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。

4.1 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)中設(shè)置管理人員和用戶這兩個(gè)角色，數(shù)據(jù)收集包括資源、用戶、管理信息、匯總統(tǒng)計(jì)、第三方接口數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)對用戶、信息以及系統(tǒng)參數(shù)等方面進(jìn)行管理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表1所示。

根據(jù)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對誤差進(jìn)行修正，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。

4.2 ?誤差修正

通過多次采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并多次更換系數(shù)，可保證數(shù)據(jù)收集的精準(zhǔn)性。

設(shè)[m]個(gè)測量誤差為[E1，E2，…，Em]，這組測量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為[η]，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算公式為：

[η=E21+E22+…+E2mm=iE2im] （3）

標(biāo)準(zhǔn)誤差真實(shí)反映樣本平均數(shù)對總體平均數(shù)的變異程度，通過修正誤差可提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精密度。

4.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述內(nèi)容，分別從管理員角度和用戶角度對系統(tǒng)預(yù)約效果進(jìn)行評價(jià)。

4.3.1 ?管理員角度

分別采用早期系統(tǒng)和基于紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)預(yù)約效果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可知，在實(shí)驗(yàn)室開放8：00—17：00這段時(shí)間段內(nèi)，有無外界干擾，基于紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)都比早期系統(tǒng)預(yù)約效果要好。在無干擾條件下，當(dāng)時(shí)間段為8：00—9：00，預(yù)約效果最低為97.54%。當(dāng)時(shí)間段為9：00—10：00，預(yù)約效果最好，可達(dá)到99.01%;而早期系統(tǒng)在該時(shí)間段內(nèi)，預(yù)約效果最高可達(dá)到75.16%，在時(shí)間段為8：00—9：00，預(yù)約效果最低為62.14%。在有干擾條件下，當(dāng)時(shí)間段為8：00—9：00，預(yù)約效果最低為92.51%。當(dāng)時(shí)間段為16：00—17：00，預(yù)約效果最好，可達(dá)到95.47%;而早期系統(tǒng)在11：00—12：00時(shí)間段內(nèi)，預(yù)約效果最高可達(dá)到48.19%，在時(shí)間段為14：00—15：00，預(yù)約效果最低為20.59%。

4.3.2 ?用戶角度

在用戶角度下，分別采用早期系統(tǒng)和基于紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)預(yù)約效果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：針對早期系統(tǒng)，無干擾條件下，在時(shí)間段為8：00—9：00，預(yù)約效果最好，達(dá)到60%。在時(shí)間段為11：00—12：00，預(yù)約效果最差，達(dá)到45%;有干擾條件下，在時(shí)間段為8：00—9：00，預(yù)約效果最好，達(dá)到35%。在時(shí)間段為11：00—12：00，預(yù)約效果最差，達(dá)到20%。

針對基于紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)，無干擾條件下，在時(shí)間段為16：00—17：00，預(yù)約效果最好，達(dá)到91%。在時(shí)間段為9：00—10：00，預(yù)約效果最差，達(dá)到85%;有干擾條件下，在時(shí)間段為9：00—10：00，預(yù)約效果最好，達(dá)到89%。在時(shí)間段為10：00—11：00，預(yù)約效果最差，達(dá)到81%。

因此，在有無干擾條件下，基于紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)約效果較好。

5 ?結(jié) ?語

隨著實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)的逐漸普及，用戶可通過登錄系統(tǒng)就能進(jìn)行操作，方便實(shí)驗(yàn)室工作人員管理，進(jìn)而提高辦公效率。充分利用紅外傳感監(jiān)測的優(yōu)勢構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開放式管理，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅能夠使用戶和實(shí)驗(yàn)室管理員兩者有機(jī)結(jié)合在一起，提高實(shí)驗(yàn)室管理效率，還能使用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備被充分利用。

基于紅外傳感監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)的開發(fā)具有一定建設(shè)性意義，但在各功能模塊使用的過程中存在一定局限性，有待進(jìn)一步研究。

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