高校实验室信息管理应用系统设计与实现

　　摘 要：高校实验室信息管理应用系统提供了请假管理、共享文件管理、室内温湿度显示、灯光控制器、空调控制、风扇控制、摄像头监控、课堂记录、桌面电源控制功能，可以对学生仪器使用情况进行记录，将使用记录存储到数据库端，记录数据具有可追溯性，与传统的数据存储方式相比，信息化管理系统的数据更加可靠和安全，有利于快速对实验室信息查询，统筹协调实验仪器设备的使用，提高设备的利用率，达到实验室日常管理的网络化、规范化、高效化。

　　关键词：高校实验室;信息管理系统;利用率

　　1 引言(Introduction)

　　现今大多数高校的实验室管理中，实验室设备信息是依靠手工建立大量的台账、卡片的方式来进行管理的，仪器仪表档案的查询往往耗费大量时间，如果设备状态发生变化，如借出、归还、丢失、损坏、闲置时，都需要登记相应卡片，造成管理手续复杂，实验设备的信息、学生实验信息以及课程信息等不能有机地结合，各种收集和管理都是独立分散地进行，致使各个实验室之间、老师和实验室之间缺乏联系，对于承担大量实验教学任务的实验室而言，存在管理工作量大，信息数据多的情况，因此，传统的实验室管理方式，造成了实验信息管理效率低、实验设备利用率低、预约实验比较烦琐及工作效率低等问题，在实验室的数据统计方面存在很大的缺陷，进而制约实验室的总结评估工作[1]。

　　随着互联网技术和信息化技术的发展，在高校实验室的日常管理中，通过数字网络化管理，是充分利用实验室资源，提高实验室的使用效率的一个有效地管理方法。从而，依据“互联网+”技术，设计一个高校实验室信息管理应用系统，引入信息化手段为实验室的管理服务，建设“互联网+”背景下高校实验室管理系统具有现实应用的意义，信息化管理是实现实验室管理科学化、规范化、现代化，高效性、方便性、准确性、安全性的最有效途径。

　　2 系统设计方案(System design scheme)

　　本系统能够实现在网络WEB端对实验室的信息数据进行在线汇总，对常用的仪器仪表设备的使用情况进行管理，管理员通过系统界面对实验室器材和室内照明灯具以及空调等设备进行控制以及通过实验室内的网络监控摄像头对实验室进行实时的安全监视，学生通过刷卡激活实验器材电源并返回实验器材情况。系统主要功能特点如下：

　　(1)系统通过烟雾等多个不同功能传感器采集实验室环境状况数值并显示;

　　(2)在WEB端查看设备使用情况，可以保存和更新设备的状态信息;

　　(3)学生只需要刷卡即可完成一系列信息登记;

　　(4)可以对单个设备电源远程控制，也可以同时对所有设备电源进行控制;

　　(5)控制监控摄像头，能够远程实时监控实验室状况;

　　(6)师生可以在线上传实验数据、查看实验项目、精品共享课程内容。

　　本系统整体框架系统，如图1所示。

　　3 系统主要硬件设计(Hardware design of the system)

　　硬件系统主要由STM32F103主控芯片、电源控制模块、RFID-RC522、ESP8266、继电器、传感器、显示模块组成，电源控制模块是通过RFID-RC522非接触式卡感应是否有卡刷入，刷卡后该系统连接至学校数据库系统，并记录该学生使用仪器设备记录，成功刷入卡后，指示灯由红变绿，插排即可通电，服务器在电脑终端显示，终端连着路由器，路由器作为热点，每个刷卡设备都有一个ESP8266连入路由器设备，作为从设备。

　　教师服务器终端拥有控制整个实验室的权限，可以控制该实验室的插排电源、风扇、灯光、空调等设备，ESP8266WIFI模块通过串口将STM32F103获取的数据发送至WEB平台，硬件设计结构图，如图2所示。

　　3.1 STM32F103主控芯片

　　STM32F103芯片，集成包含了晶振时钟、复位电路、数字和模拟间的去耦电路、调试接口、串行通信接口等电路，可以进行高速运算，能够与传感器模块进行实时通讯并采集数据，WIFI模块通过串口与STM32F103通信，通过路由器把数据传输到系统服务器端，师生通过PC机或者手机登录网页WEB端，进行控制、查询，从而实现对实验室本地与远程功能控制操作[2]。

　　3.2 环境监测与调节

　　系统通过安装在实验室的多个不同的传感器，采集实验室内的温湿、烟雾、光照的强度等数值，通过无线网络发送到WEB端，若温湿度超过设定值，可自动开启通风系统(或空调)，降低实验室温湿度值，保证实验仪器设备安全的存放。

　　环境监测部分使用了DHT11温湿度采集模块，模块采集到的数据会回传到STM32F103中，并通过判断温度数据是否高于设定值来决定是否启动通风系统，同时，温度数据每隔一定时间通过TCP方式传送至WEB端。

　　3.3 指纹门禁

　　通过验证进入实验室人员的指纹进行门禁，保障实验室的安全，在指纹门禁系统中，使用FM10A指纹模块，录入管理员指纹，如果在管理员对实验室管理期间有变动，门禁系统也可以通过系统清除管理员的指纹，在门禁系统启动使用期间，STM32F103主控芯片处于循环发送搜索指纹命令，当指纹模块FM10A匹配到相同的指纹，就会返回一个信息给STM32F103来驱动电机，实现开门，从而实现门禁作用。

　　3.4 防盗入侵报警

　　防盗系统由红外报警组成。实验室窗户装有红外监测模块，当检测到非法入侵，则进行报警，红外报警部分，采用的是是反射式红外传感器，它可以测量1M的距离，且功耗极低。当有障碍物在红外发射器的直线上经过，红外线会从障碍物反射回接收器，红外报警模块就会返回电平信息给主控STM32F103芯片，通过判断I/O返回的高低电平信息来决定是否启动语音报警模块进行报警，并通过GSM模块给实验室管理人员的手机发送信息来提醒报警[3]。

　　ESP8266拥有完整的且成体系的Wi-Fi网络功能，既能够独立应用，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。当ESP8266独立应用时，能够直接从外接flash中启动，通过UART串口与主控芯片STM32F103连接，以TCP协议传输数据到服务器端，ESP8266建立TCP连接流程，如图3所示。

　　3.5 桌面电源控制功能

　　桌面电源主要功能是通过RFID打卡使用仪器，将学生的仪器使用记录同步到数据库中保持，替代以往的纸质记录的方法，除了打卡操作外，教师还可以单独在WEB端对桌面电源的开关进行控制和锁定操作，当触发锁定后，桌面电源将保持原来的状态，打卡没有效果。

　　3.6 网络监控

　　实验室网络实时视频监控，使用的是一个USB监控摄像头和一个TPLINK WR703N无线路由器，摄像头通过路由器上的USB接口进行连接，无线路由器刷入OPENWRT系统，系统服务器通过访问相应的端口即可获取实时画面并可以控制摄像头角度转动，实现全方位监控。

　　3.7 供電电源

　　硬件系统功能电源模块采用220V交流电降压至5V为整个系统提供电源，该电路由开关电源和输出电路两部分组成，电源电路设计，如图4所示。

　　当接通电源后，220V交流通过D1整流，C14滤波，通过电阻R10给三极管Q2提供基极启动电流，使Q2开始导通，其集电极电流线性增长，在L2中感应出使Q2基极为正、发射极为负的正反馈电压，通过C15和R6，送到Q2基极，使Q2迅速饱和。与此同时，感应电动势给电容C15充电，随着C15充电电压升高，Q2基极电位逐渐下降，IC开始减小，在L2中感应出使Q2基极为负，发射极为正的电压，使Q2迅速截止，完成一个振荡周期，在Q2截止期间，在L3绕组感应出一个5V左右的交流电压。此后，C15逐渐放电，Q2基极电压逐渐升高，从而开始第二个周期，不断循环。L3输出电压经D3整流、C17滤波后通过USB座给负载供电。LED1和R9组成输出指示电路。

　　DZ、817、Q1等组成取样比较电路，检查输出电压的高低。当负载变轻或电源电压升高等原因导致输出电压升高时，DZ击穿，817中发光二极管电流增大，817中光敏三极管电流增大。L2反馈绕组中的感应电压经817中的光敏三极管到Q1基极，Q1基极电流增大，集电极电流增大，Q2基极电流减小，集电极电流减小，负载能力变小，从而导致输出电压降低。当输出电压降低后，Q1取样后又会截止，Q2的负载能力变强，输出电压升高，这样起到自动稳压作用。D2为L2绕组输出电压整流二极管，C16为滤波电容。

　　推荐阅读：《软件和集成电路》(月刊)创刊于1984年，邮发代码：82-469。由中国电子信息产业发展研究院、北京中电报发展有限公司主办的计算机科学技术刊物。

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