摘 要：高校實驗室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)提供了請假管理、共享文件管理、室內(nèi)溫濕度顯示、燈光控制器、空調(diào)控制、風(fēng)扇控制、攝像頭監(jiān)控、課堂記錄、桌面電源控制功能，可以對學(xué)生儀器使用情況進(jìn)行記錄，將使用記錄存儲到數(shù)據(jù)庫端，記錄數(shù)據(jù)具有可追溯性，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲方式相比，信息化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更加可靠和安全，有利于快速對實驗室信息查詢，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)實驗儀器設(shè)備的使用，提高設(shè)備的利用率，達(dá)到實驗室日常管理的網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化、高效化。

　　關(guān)鍵詞：高校實驗室;信息管理系統(tǒng);利用率

　　1 引言(Introduction)

　　現(xiàn)今大多數(shù)高校的實驗室管理中，實驗室設(shè)備信息是依靠手工建立大量的臺賬、卡片的方式來進(jìn)行管理的，儀器儀表檔案的查詢往往耗費大量時間，如果設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，如借出、歸還、丟失、損壞、閑置時，都需要登記相應(yīng)卡片，造成管理手續(xù)復(fù)雜，實驗設(shè)備的信息、學(xué)生實驗信息以及課程信息等不能有機地結(jié)合，各種收集和管理都是獨立分散地進(jìn)行，致使各個實驗室之間、老師和實驗室之間缺乏聯(lián)系，對于承擔(dān)大量實驗教學(xué)任務(wù)的實驗室而言，存在管理工作量大，信息數(shù)據(jù)多的情況，因此，傳統(tǒng)的實驗室管理方式，造成了實驗信息管理效率低、實驗設(shè)備利用率低、預(yù)約實驗比較煩瑣及工作效率低等問題，在實驗室的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面存在很大的缺陷，進(jìn)而制約實驗室的總結(jié)評估工作[1]。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化技術(shù)的發(fā)展，在高校實驗室的日常管理中，通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化管理，是充分利用實驗室資源，提高實驗室的使用效率的一個有效地管理方法。從而，依據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，設(shè)計一個高校實驗室信息管理應(yīng)用系統(tǒng)，引入信息化手段為實驗室的管理服務(wù)，建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校實驗室管理系統(tǒng)具有現(xiàn)實應(yīng)用的意義，信息化管理是實現(xiàn)實驗室管理科學(xué)化、規(guī)范化、現(xiàn)代化，高效性、方便性、準(zhǔn)確性、安全性的最有效途徑。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計方案(System design scheme)

　　本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)WEB端對實驗室的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行在線匯總，對常用的儀器儀表設(shè)備的使用情況進(jìn)行管理，管理員通過系統(tǒng)界面對實驗室器材和室內(nèi)照明燈具以及空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制以及通過實驗室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控攝像頭對實驗室進(jìn)行實時的安全監(jiān)視，學(xué)生通過刷卡激活實驗器材電源并返回實驗器材情況。系統(tǒng)主要功能特點如下：

　　(1)系統(tǒng)通過煙霧等多個不同功能傳感器采集實驗室環(huán)境狀況數(shù)值并顯示;

　　(2)在WEB端查看設(shè)備使用情況，可以保存和更新設(shè)備的狀態(tài)信息;

　　(3)學(xué)生只需要刷卡即可完成一系列信息登記;

　　(4)可以對單個設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制，也可以同時對所有設(shè)備電源進(jìn)行控制;

　　(5)控制監(jiān)控攝像頭，能夠遠(yuǎn)程實時監(jiān)控實驗室狀況;

　　(6)師生可以在線上傳實驗數(shù)據(jù)、查看實驗項目、精品共享課程內(nèi)容。

　　本系統(tǒng)整體框架系統(tǒng)，如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(Hardware design of the system)

　　硬件系統(tǒng)主要由STM32F103主控芯片、電源控制模塊、RFID-RC522、ESP8266、繼電器、傳感器、顯示模塊組成，電源控制模塊是通過RFID-RC522非接觸式卡感應(yīng)是否有卡刷入，刷卡后該系統(tǒng)連接至學(xué)校數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并記錄該學(xué)生使用儀器設(shè)備記錄，成功刷入卡后，指示燈由紅變綠，插排即可通電，服務(wù)器在電腦終端顯示，終端連著路由器，路由器作為熱點，每個刷卡設(shè)備都有一個ESP8266連入路由器設(shè)備，作為從設(shè)備。

　　教師服務(wù)器終端擁有控制整個實驗室的權(quán)限，可以控制該實驗室的插排電源、風(fēng)扇、燈光、空調(diào)等設(shè)備，ESP8266WIFI模塊通過串口將STM32F103獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至WEB平臺，硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

　　3.1 STM32F103主控芯片

　　STM32F103芯片，集成包含了晶振時鐘、復(fù)位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調(diào)試接口、串行通信接口等電路，可以進(jìn)行高速運算，能夠與傳感器模塊進(jìn)行實時通訊并采集數(shù)據(jù)，WIFI模塊通過串口與STM32F103通信，通過路由器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器端，師生通過PC機或者手機登錄網(wǎng)頁WEB端，進(jìn)行控制、查詢，從而實現(xiàn)對實驗室本地與遠(yuǎn)程功能控制操作[2]。

　　3.2 環(huán)境監(jiān)測與調(diào)節(jié)

　　系統(tǒng)通過安裝在實驗室的多個不同的傳感器，采集實驗室內(nèi)的溫濕、煙霧、光照的強度等數(shù)值，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到WEB端，若溫濕度超過設(shè)定值，可自動開啟通風(fēng)系統(tǒng)(或空調(diào))，降低實驗室溫濕度值，保證實驗儀器設(shè)備安全的存放。

　　環(huán)境監(jiān)測部分使用了DHT11溫濕度采集模塊，模塊采集到的數(shù)據(jù)會回傳到STM32F103中，并通過判斷溫度數(shù)據(jù)是否高于設(shè)定值來決定是否啟動通風(fēng)系統(tǒng)，同時，溫度數(shù)據(jù)每隔一定時間通過TCP方式傳送至WEB端。

　　3.3 指紋門禁

　　通過驗證進(jìn)入實驗室人員的指紋進(jìn)行門禁，保障實驗室的安全，在指紋門禁系統(tǒng)中，使用FM10A指紋模塊，錄入管理員指紋，如果在管理員對實驗室管理期間有變動，門禁系統(tǒng)也可以通過系統(tǒng)清除管理員的指紋，在門禁系統(tǒng)啟動使用期間，STM32F103主控芯片處于循環(huán)發(fā)送搜索指紋命令，當(dāng)指紋模塊FM10A匹配到相同的指紋，就會返回一個信息給STM32F103來驅(qū)動電機，實現(xiàn)開門，從而實現(xiàn)門禁作用。

　　3.4 防盜入侵報警

　　防盜系統(tǒng)由紅外報警組成。實驗室窗戶裝有紅外監(jiān)測模塊，當(dāng)檢測到非法入侵，則進(jìn)行報警，紅外報警部分，采用的是是反射式紅外傳感器，它可以測量1M的距離，且功耗極低。當(dāng)有障礙物在紅外發(fā)射器的直線上經(jīng)過，紅外線會從障礙物反射回接收器，紅外報警模塊就會返回電平信息給主控STM32F103芯片，通過判斷I/O返回的高低電平信息來決定是否啟動語音報警模塊進(jìn)行報警，并通過GSM模塊給實驗室管理人員的手機發(fā)送信息來提醒報警[3]。

　　ESP8266擁有完整的且成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨立應(yīng)用，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。當(dāng)ESP8266獨立應(yīng)用時，能夠直接從外接flash中啟動，通過UART串口與主控芯片STM32F103連接，以TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，ESP8266建立TCP連接流程，如圖3所示。

　　3.5 桌面電源控制功能

　　桌面電源主要功能是通過RFID打卡使用儀器，將學(xué)生的儀器使用記錄同步到數(shù)據(jù)庫中保持，替代以往的紙質(zhì)記錄的方法，除了打卡操作外，教師還可以單獨在WEB端對桌面電源的開關(guān)進(jìn)行控制和鎖定操作，當(dāng)觸發(fā)鎖定后，桌面電源將保持原來的狀態(tài)，打卡沒有效果。

　　3.6 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

　　實驗室網(wǎng)絡(luò)實時視頻監(jiān)控，使用的是一個USB監(jiān)控攝像頭和一個TPLINK WR703N無線路由器，攝像頭通過路由器上的USB接口進(jìn)行連接，無線路由器刷入OPENWRT系統(tǒng)，系統(tǒng)服務(wù)器通過訪問相應(yīng)的端口即可獲取實時畫面并可以控制攝像頭角度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)全方位監(jiān)控。

　　3.7 供電電源

　　硬件系統(tǒng)功能電源模塊采用220V交流電降壓至5V為整個系統(tǒng)提供電源，該電路由開關(guān)電源和輸出電路兩部分組成，電源電路設(shè)計，如圖4所示。

　　當(dāng)接通電源后，220V交流通過D1整流，C14濾波，通過電阻R10給三極管Q2提供基極啟動電流，使Q2開始導(dǎo)通，其集電極電流線性增長，在L2中感應(yīng)出使Q2基極為正、發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，通過C15和R6，送到Q2基極，使Q2迅速飽和。與此同時，感應(yīng)電動勢給電容C15充電，隨著C15充電電壓升高，Q2基極電位逐漸下降，IC開始減小，在L2中感應(yīng)出使Q2基極為負(fù)，發(fā)射極為正的電壓，使Q2迅速截止，完成一個振蕩周期，在Q2截止期間，在L3繞組感應(yīng)出一個5V左右的交流電壓。此后，C15逐漸放電，Q2基極電壓逐漸升高，從而開始第二個周期，不斷循環(huán)。L3輸出電壓經(jīng)D3整流、C17濾波后通過USB座給負(fù)載供電。LED1和R9組成輸出指示電路。

　　DZ、817、Q1等組成取樣比較電路，檢查輸出電壓的高低。當(dāng)負(fù)載變輕或電源電壓升高等原因?qū)е螺敵鲭妷荷邥r，DZ擊穿，817中發(fā)光二極管電流增大，817中光敏三極管電流增大。L2反饋繞組中的感應(yīng)電壓經(jīng)817中的光敏三極管到Q1基極，Q1基極電流增大，集電極電流增大，Q2基極電流減小，集電極電流減小，負(fù)載能力變小，從而導(dǎo)致輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓降低后，Q1取樣后又會截止，Q2的負(fù)載能力變強，輸出電壓升高，這樣起到自動穩(wěn)壓作用。D2為L2繞組輸出電壓整流二極管，C16為濾波電容。

　　推薦閱讀：《軟件和集成電路》(月刊)創(chuàng)刊于1984年，郵發(fā)代碼：82-469。由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、北京中電報發(fā)展有限公司主辦的計算機科學(xué)技術(shù)刊物。