摘 要： 針對(duì)電信學(xué)院當(dāng)前創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，結(jié)合先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和計(jì)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(jì)了一套分布式、網(wǎng)絡(luò)化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上得以延伸，對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有一定實(shí)際意義。
關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室；射頻識(shí)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(gè)重要品牌，專門建立了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。近幾年電信學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)風(fēng)生水起，在各大競(jìng)賽活動(dòng)中屢創(chuàng)歷史新高。但是存在實(shí)驗(yàn)室空間少，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有的功能。
創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)是針對(duì)電信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理而設(shè)計(jì)開發(fā)的，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化綜合管理系統(tǒng)提供了資源共享、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)時(shí)監(jiān)控、資產(chǎn)管理、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上得以延伸，同時(shí)對(duì)擴(kuò)展并加快信息化建設(shè)具有實(shí)際意義。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
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(shí)驗(yàn)室管理部分結(jié)合C/S模式開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室門禁軟件，客戶端PC通過采集讀卡器獲取的信息自動(dòng)完成學(xué)生身份認(rèn)證[3]，記錄到達(dá)和離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)間，并實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的情況。
系統(tǒng)由智能讀卡器、數(shù)據(jù)庫(kù)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。
1.1 門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
門禁管理子系統(tǒng)依托射頻識(shí)別技術(shù)和ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)無線通信，采用Qt Creator編寫的上位機(jī)實(shí)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門禁控制以及對(duì)檔案的操作。
1.2 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站管理系統(tǒng)下設(shè)實(shí)驗(yàn)室門戶、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、設(shè)備管理和實(shí)驗(yàn)室管理4個(gè)子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
?。?）網(wǎng)站門戶：主要是供學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室最新動(dòng)態(tài)，共享實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室論壇則是一個(gè)促進(jìn)學(xué)生交流互動(dòng)的專區(qū)[5]。
?。?）實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理：將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室空間網(wǎng)絡(luò)化，自動(dòng)采集學(xué)生預(yù)約、實(shí)時(shí)監(jiān)控等的全部數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)教師對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)智能管理等功能。
?。?）設(shè)備管理：主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的檔案管理、設(shè)備使用記錄等各類報(bào)表的報(bào)批功能。
（4）實(shí)驗(yàn)室管理：能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各實(shí)驗(yàn)室的使用記錄，同時(shí)可通過記載學(xué)生累計(jì)上機(jī)學(xué)習(xí)時(shí)間來考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。
1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
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(tái)）等問題。MySQL是目前最為流行的開放源碼的數(shù)據(jù)庫(kù)，是完全網(wǎng)絡(luò)化的跨平臺(tái)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。
根據(jù)對(duì)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(kù)實(shí)體分別為學(xué)生檔案實(shí)體、教師實(shí)體、管理員實(shí)體、實(shí)驗(yàn)室實(shí)體、設(shè)備實(shí)體和實(shí)驗(yàn)課程預(yù)約實(shí)體等[7]。下面介紹兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)體的E-R圖。
?。?）學(xué)生檔案實(shí)體
學(xué)生檔案實(shí)體包括編號(hào)、姓名、學(xué)號(hào)、性別、聯(lián)系電話、電子郵件、所屬班級(jí)和備注等屬性。學(xué)生檔案實(shí)體的E-R圖如圖4所示。
?。?）教師檔案實(shí)體
教師檔案實(shí)體包括編號(hào)、姓名、性別、聯(lián)系電話、電子郵件和備注等屬性。教師檔案實(shí)體的E-R圖如圖5所示。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)室門戶的實(shí)現(xiàn)
?。?）實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生和老師提供查看動(dòng)態(tài)頁(yè)面，可以瀏覽最新的信息，也可以查看以前的動(dòng)態(tài)信息，動(dòng)態(tài)的更新則是在后臺(tái)由管理員來操作。在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一個(gè)專門用來存放動(dòng)態(tài)信息的數(shù)據(jù)表，只有管理人員才能進(jìn)入后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新增和修改操作，相應(yīng)的SQL語句則對(duì)應(yīng)Insert操作和Update操作。
?。?）作品展示的實(shí)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(huì)保留下來并展示在頁(yè)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。
?。?）資源下載的實(shí)現(xiàn)
考慮到實(shí)驗(yàn)室資源可能較多，針對(duì)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。
?。?）實(shí)驗(yàn)室論壇
實(shí)驗(yàn)室論壇是一個(gè)交流互動(dòng)的平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)相關(guān)。學(xué)生發(fā)表內(nèi)容后需要管理人員審核。
2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的實(shí)現(xiàn)
?。?）實(shí)驗(yàn)室預(yù)約的實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)室預(yù)約可以在最大程度上解決實(shí)驗(yàn)室緊缺問題，學(xué)生也能根據(jù)自己需要來選擇實(shí)驗(yàn)室[8]。實(shí)驗(yàn)室預(yù)約按照教師提供的可選課時(shí)來選擇，如果沒有可選課時(shí)，則表示此實(shí)驗(yàn)室為不可預(yù)約，系統(tǒng)中通過一個(gè)字段來表示課時(shí)信息。這里沒有遵循數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是考慮代碼實(shí)現(xiàn)的方便性以及此設(shè)計(jì)不影響可擴(kuò)展性，這個(gè)字段使用0和1加特殊符號(hào)來表示，0表示當(dāng)前的課時(shí)不可以預(yù)約，1則表示可以預(yù)約，查看實(shí)驗(yàn)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(shí)系統(tǒng)也統(tǒng)計(jì)已經(jīng)預(yù)約的學(xué)生數(shù)量，與實(shí)驗(yàn)室可容納的學(xué)生數(shù)量進(jìn)行對(duì)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(huì)被拒絕。
?。?）預(yù)約統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
預(yù)約統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了未來一周內(nèi)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約情況及歷史預(yù)約記錄兩個(gè)內(nèi)容。
實(shí)現(xiàn)未來一周內(nèi)的統(tǒng)計(jì)需要結(jié)合系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間加以判斷，在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)相應(yīng)信息，包括預(yù)約人（這里指學(xué)生）、預(yù)約實(shí)驗(yàn)室和預(yù)約時(shí)間等，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1所示。
?。?）實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢的實(shí)現(xiàn)
成績(jī)是由教師進(jìn)行錄入的，相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)教師錄入模塊，將對(duì)應(yīng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣學(xué)生便可登錄此管理系統(tǒng)查詢到自己的成績(jī)了。
2.3 設(shè)備管理子系統(tǒng)的實(shí)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(bào)廢設(shè)備的處理[9]。
?。?）新進(jìn)設(shè)備
設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)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(duì)應(yīng)Insert操作。
?。?）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(shí)，則在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)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(duì)的SQL語句也是對(duì)應(yīng)Insert操作。
（3）設(shè)備報(bào)廢
設(shè)備報(bào)廢記錄表包括了報(bào)廢設(shè)備標(biāo)識(shí)、數(shù)量等，當(dāng)有設(shè)備報(bào)廢時(shí)則對(duì)應(yīng)設(shè)備表中的記錄做減1操作，SQL語句對(duì)應(yīng)Update操作。
2.4 實(shí)驗(yàn)室管理子系統(tǒng)的實(shí)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(shí)，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(shí)別范圍，便讀出其卡號(hào)，包括防沖突讀卡號(hào)、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(hào)；同時(shí)發(fā)送該卡的卡號(hào)至上位機(jī)，由上位機(jī)將其與數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，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(shí)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(shí)不工作，只有在失去正常供電電源時(shí)才為射頻識(shí)別模塊以及ZigBee無線模塊供電，保證了系統(tǒng)在掉電時(shí)仍然可以工作。ZigBee無線模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，避免了鋪設(shè)大量的信號(hào)線，同時(shí)使系統(tǒng)運(yùn)行在電池供電狀態(tài)時(shí)節(jié)省更多電量，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間更久。各個(gè)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(gè)子模塊。當(dāng)使用簽到模塊時(shí)，軟件開始監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)，并將所得到的卡號(hào)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，數(shù)據(jù)庫(kù)驗(yàn)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(shí)等待下一個(gè)卡號(hào)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(kù)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(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室資源共享、宏觀監(jiān)控，充分調(diào)動(dòng)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(shí)踐能力，提高了實(shí)驗(yàn)室資源的利用率，提高管理人員對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室的全面發(fā)展。
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