摘 要：?；返闹悄芄芾砗腿^(guò)程使用監(jiān)督，對(duì)保障實(shí)驗(yàn)室安全具有重要意義，是智慧校園建設(shè)的核心內(nèi)容。為此，設(shè)計(jì)了一種基于國(guó)產(chǎn)統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)的校園實(shí)驗(yàn)室?；反鎯?chǔ)柜分布式智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Python軟件開(kāi)發(fā)UOS主控系統(tǒng)，依托實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的局域網(wǎng)作為通信載體，構(gòu)建分布式主從架構(gòu)，支持從機(jī)快速?gòu)?fù)制機(jī)制。服務(wù)端通過(guò)局域網(wǎng)通信響應(yīng)多分布式下位機(jī)應(yīng)答指令和完成危化品使用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄工作，客戶(hù)端完成動(dòng)作申請(qǐng)、授權(quán)并驅(qū)動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)室開(kāi)柜開(kāi)鎖動(dòng)作。系統(tǒng)有效解決了“信息孤島”問(wèn)題，兼具封閉性、安全性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，為校園多分布式管理系統(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

關(guān)鍵詞：?；罚唤y(tǒng)信UOS；局域網(wǎng)；單片機(jī)；安全管理；智能測(cè)控系統(tǒng)；智慧校園

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79；TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

“十四五”時(shí)期我國(guó)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)仍處于爬坡過(guò)坎、攻堅(jiān)克難的關(guān)鍵期，擁有安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的有利條件，但也面臨新舊風(fēng)險(xiǎn)疊加的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。高校也是安全生產(chǎn)的主陣地，實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行教研的重要基地。隨著我國(guó)高校學(xué)科多樣性發(fā)展，實(shí)驗(yàn)用?；返臄?shù)量顯著增加并呈現(xiàn)多分布式的特點(diǎn)，常規(guī)監(jiān)管方式下存在較大的安全隱患，?；返谋O(jiān)管面臨很大的挑戰(zhàn)[2-3]。構(gòu)建兼具高可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性的實(shí)驗(yàn)室?；饭芾硐到y(tǒng)成為亟需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理的重視程度不斷加深，尤其是智慧校園的建設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用[4]。與此同時(shí)，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密相關(guān)的通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及傳感器技術(shù)的不斷革新也使得遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室儀器成為可能[5]。綜述相關(guān)的管理系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，通信問(wèn)題是校園危化品多分布式特點(diǎn)下面臨的核心問(wèn)題，依賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)卡或者大功率ZigBee、LoRa等的通信方式構(gòu)建的系統(tǒng)，其成本和功耗顯著性增高，存在“信息孤島”問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式管理系統(tǒng)[6]，本文設(shè)計(jì)了一種可以遠(yuǎn)程控制?；饭竦闹悄芄芾硐到y(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄柜門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間及使用次數(shù)，充分利用校園內(nèi)的局域網(wǎng)進(jìn)行通信[7]，構(gòu)建分布式主從架構(gòu)，支持從機(jī)快速?gòu)?fù)制機(jī)制。本文方法為其他校園多分布式管理系統(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

1 系統(tǒng)總體方案

本文的?；反鎯?chǔ)柜管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)基于統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要是由下位機(jī)模塊和上位機(jī)組成。

下位機(jī)模塊以單個(gè)實(shí)驗(yàn)室為單位進(jìn)行布置，主要由單片機(jī)系統(tǒng)和?；饭窠M成。將單片機(jī)系統(tǒng)嵌入?；饭裰?，與鎖體相連，以獲得或發(fā)送開(kāi)鎖指令。

局域網(wǎng)平臺(tái)上位機(jī)由服務(wù)端和多個(gè)客戶(hù)端組成。一個(gè)客戶(hù)端與一個(gè)下位機(jī)模塊組成一個(gè)從機(jī)，服務(wù)端可以匹配多個(gè)客戶(hù)端，以構(gòu)建分布式主從架構(gòu)方便監(jiān)測(cè)。管理人員在局域網(wǎng)下登錄服務(wù)端后，可以在界面查看到每個(gè)實(shí)驗(yàn)室?；饭竦拈_(kāi)關(guān)時(shí)間與使用次數(shù)，通過(guò)點(diǎn)擊界面按鈕開(kāi)關(guān)某個(gè)?；饭?，從而解決“一室多柜”的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

在系統(tǒng)運(yùn)行前需在客戶(hù)端上位機(jī)界面與服務(wù)端上位機(jī)界面的IP輸入框內(nèi)輸入服務(wù)端上位機(jī)的IP地址，連接完成后當(dāng)客戶(hù)端按下按鈕申請(qǐng)取用危化品時(shí)，服務(wù)端軟件界面將會(huì)出現(xiàn)“客戶(hù)端請(qǐng)求開(kāi)鎖”字樣，管理人員若同意開(kāi)鎖則需點(diǎn)擊屏幕上同意開(kāi)鎖按鈕。此時(shí)，開(kāi)鎖信號(hào)將由服務(wù)端通過(guò)局域網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送到客戶(hù)端上位機(jī)，客戶(hù)端上位機(jī)接收到開(kāi)鎖信號(hào)后再將這一指令發(fā)送到與其相連接的單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊則控制繼電器導(dǎo)通將鎖體打開(kāi)。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)是每個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的子單元，該單元由一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)嵌入?；饭窠M成。

系統(tǒng)使用圖2所示的STC89C51單片機(jī)，其最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路組成。單片機(jī)串口模塊負(fù)責(zé)下位機(jī)模塊與客戶(hù)端之間的數(shù)據(jù)交互，以及局域網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)端與下位機(jī)模塊的數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)?；贩忾]管理。將單片機(jī)模塊嵌入到?；反鎯?chǔ)柜中，并與電控鎖相連；P2^4引腳與按鍵相連接，P2^2引腳通過(guò)繼電器與電控鎖連接；使用降壓模塊將電源降壓到5 V給單片機(jī)模塊供電。

當(dāng)按下?；饭窨蛻?hù)端界面上的申請(qǐng)開(kāi)鎖按鈕時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)將開(kāi)鎖信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送給客戶(hù)端；服務(wù)端通過(guò)局域網(wǎng)平臺(tái)接收到開(kāi)鎖信號(hào)，當(dāng)服務(wù)端的管理人員同意使用時(shí)，同意開(kāi)鎖信號(hào)將通過(guò)局域網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送給客戶(hù)端，?；饭穸说膯纹瑱C(jī)系統(tǒng)串口會(huì)接收到信號(hào)；此時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行中斷時(shí)間，控制繼電器使電控鎖通電，通電即可開(kāi)鎖取用危化品。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

局域網(wǎng)平臺(tái)上位機(jī)基于統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是由客戶(hù)端、服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中：客戶(hù)端與服務(wù)端由Python語(yǔ)言編寫(xiě)，客戶(hù)端設(shè)置在下位機(jī)模塊，便于實(shí)驗(yàn)員申請(qǐng)開(kāi)柜；服務(wù)端用于管理人員通過(guò)局域網(wǎng)通信響應(yīng)多分布式下位機(jī)應(yīng)答指令和查詢(xún)使用記錄；使用Python自帶的tkinter 模塊展示相關(guān)用戶(hù)界面；MySQL用于將使用記錄存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 統(tǒng)信UOS

統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)是一款體現(xiàn)當(dāng)今主流Linux服務(wù)器操作系統(tǒng)發(fā)展水平的產(chǎn)品，因其極高的可靠性、持久的可用性、優(yōu)良的可維護(hù)性，在用戶(hù)的實(shí)際運(yùn)行及使用的過(guò)程中深受好評(píng)。本文采用統(tǒng)信UOS系統(tǒng)，正因其基于Linux內(nèi)核[8]，

在網(wǎng)絡(luò)通信方面有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，能夠提供極為廣泛的協(xié)議棧支持，如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk、ATM通信協(xié)議等；具有良好的跨操作系統(tǒng)兼容性，如Windows、Unix、MacOS的環(huán)境等，可以與校園所使用的操作系統(tǒng)兼容。

3.2 用戶(hù)界面

界面的主要功能是接收用戶(hù)輸入和可視化，是用戶(hù)與應(yīng)用程序交互的平臺(tái)[9]。該系統(tǒng)使用Python自帶的tkinter庫(kù)，可提供快速便利創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序的方法。通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)菜單、按鈕等圖形化元素觸發(fā)指令，并從標(biāo)簽、對(duì)話(huà)框等圖型化的顯示容器中獲取人機(jī)對(duì)話(huà)信息。

?；饭窆芾硐到y(tǒng)的界面由兩部分組成：服務(wù)端界面和客戶(hù)端界面。客戶(hù)端界面由三部分組成，分別是：服務(wù)端ID輸入、申請(qǐng)開(kāi)鎖與申請(qǐng)信息錄入。服務(wù)端界面由兩部分組成，分別是：服務(wù)端IP地址輸入與?；饭駭?shù)據(jù)庫(kù)的使用記錄。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL創(chuàng)建，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢(xún)。

管理人員在局域網(wǎng)平臺(tái)下通過(guò)界面可以查詢(xún)?；饭竦氖褂萌藛T、使用物品與使用時(shí)間，客戶(hù)端與服務(wù)端的使用者通過(guò)界面進(jìn)行IP輸入以實(shí)現(xiàn)雙方的通信。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

MySQL是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都有一個(gè)或多個(gè)不同的API用于創(chuàng)建、訪問(wèn)、管理、搜索和復(fù)制所保存的數(shù)據(jù)[10]。該系統(tǒng)使用MySQL創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)有一個(gè)表格包括四個(gè)字段名：申請(qǐng)人、物品名稱(chēng)、事由和取用時(shí)間，將這些數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲(chǔ)。對(duì)?；饭竦氖褂眠M(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以達(dá)到無(wú)需紙張、不耗費(fèi)人力、實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)下存儲(chǔ)的目的。

3.4 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要是為實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)端的通信，以及一些界面的設(shè)計(jì)。Python語(yǔ)言因其開(kāi)源本質(zhì)，已經(jīng)被移植在許多平臺(tái)上，本系統(tǒng)在統(tǒng)信UOS操作系統(tǒng)下進(jìn)行，Python是很好的選擇。

危化品柜控制過(guò)程：當(dāng)服務(wù)端與客戶(hù)端的使用人員輸入雙方的IP，通過(guò)局域網(wǎng)平臺(tái)連接成功。實(shí)驗(yàn)員試圖打開(kāi)危化品柜時(shí)，只需按下界面按鈕，客戶(hù)端會(huì)解析命令，通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)端；服務(wù)端在解析命令后，顯示在界面上請(qǐng)求管理人員開(kāi)鎖，管理人員控制按鈕授權(quán)并驅(qū)動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)室開(kāi)柜開(kāi)鎖動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)多分布式下位機(jī)應(yīng)答指令的響應(yīng)。與此同時(shí)，將使用數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)端，服務(wù)端將?；饭竦纳暾?qǐng)人、物品名稱(chēng)、事由以及取用時(shí)間的數(shù)據(jù)同步更新在數(shù)據(jù)庫(kù)中，將這些數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲(chǔ)。具體系統(tǒng)的過(guò)程如圖3所示。

4 系統(tǒng)整體功能測(cè)試

系統(tǒng)主要功能分為檢測(cè)?；饭耖_(kāi)關(guān)狀態(tài)和記錄存儲(chǔ)柜的使用情況。測(cè)試時(shí)，對(duì)學(xué)校機(jī)械學(xué)院材料實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的?；饭襁M(jìn)行控制。將服務(wù)端布置在學(xué)校局域網(wǎng)下的一臺(tái)主機(jī)上，在?；饭穸说腜C機(jī)上登錄客戶(hù)端，并接上單片機(jī)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的功能測(cè)試。

測(cè)試開(kāi)始時(shí)，柜門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)員與管理人員分別輸入服務(wù)端上位機(jī)的IP后，客戶(hù)端與服務(wù)端進(jìn)行連接；連接成功后客戶(hù)端將會(huì)顯示“服務(wù)器已連接”字樣。實(shí)驗(yàn)員需要輸入申請(qǐng)信息，包括姓名、使用物品以及事由，接著按下“申請(qǐng)開(kāi)柜”按鈕等待管理人員授權(quán)即可?？蛻?hù)端測(cè)試界面如圖4所示。

測(cè)試?；饭竦氖褂糜涗浌δ軙r(shí)，在?；饭穸说纳衔粰C(jī)向服務(wù)端申請(qǐng)開(kāi)鎖；服務(wù)端上位機(jī)管理人員同意申請(qǐng)后，數(shù)據(jù)庫(kù)將使用信息進(jìn)行保存，通過(guò)界面即可查詢(xún)使用記錄。每授權(quán)開(kāi)鎖一次，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)將開(kāi)關(guān)時(shí)間與申請(qǐng)信息累積。數(shù)據(jù)查詢(xún)測(cè)試界面如圖5所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試改進(jìn)，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在局域網(wǎng)下一鍵審批?；饭竦墓δ埽瑢?shí)時(shí)記錄?；饭竦氖褂糜涗?，充分挖掘?qū)嶒?yàn)室資源，避免重復(fù)構(gòu)建。分布式主從架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從機(jī)快速?gòu)?fù)制機(jī)制，尤其是通信部分有效地解決了“信息孤島”問(wèn)題。另外，系統(tǒng)兼具封閉性、安全性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足對(duì)實(shí)驗(yàn)室危化品柜的安全管理，為校園多分布式危化品管理系統(tǒng)研制提供了可借鑒的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：姜闊勝（1983—），男，山東威海人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷分析、智能視覺(jué)檢測(cè)、智能儀器與虛擬儀器設(shè)計(jì)。

段惠中（2000—），女，山西臨汾人，現(xiàn)就讀于安徽理工大學(xué)儀器儀表工程專(zhuān)業(yè)。

收稿日期：2023-04-17 修回日期：2023-05-15

基金項(xiàng)目：安徽理工大學(xué)研究生核心（一流）課程建設(shè)項(xiàng)目（2020HX004）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB 1314203）