新型电工电子开放实验室智能管理系统探究

王 唯， 杨 浩， 赵一舟

(重庆大学 电工电子技术基础教学实验中心，重庆 400044)



新型电工电子开放实验室智能管理系统探究

王 唯， 杨 浩， 赵一舟

(重庆大学 电工电子技术基础教学实验中心，重庆 400044)

针对目前高校电工电子开放实验室“纯人工”或“半人工”式的管理下存在的各种安全隐患难以消除的问题，提出了一种“软件智能化、硬件易实施、管理远程化、自助一体化、极高安全性”的新型电工电子开放实验室智能管理系统。该系统采用了先进的无线AP技术、电力载波技术、动态数据库技术、网站建设技术以及移动互联网交互技术，集远程视频监控、远程音频监控、远程语音提示、智能门禁管理、智能桌面电源管理以及自助式网络平台于一体，满足了开放实验室无人现场值守情况下的各种运行需求，实验室中心开放运用中效果显著，特别是在寒暑假期间，开放实验室利用率达到了80%以上，为高校电工电子开放实验室的安全、高效运行提供了有力的保障。

实验室管理； 智能管理； 门禁系统； 视频监控系统； 智能电源管理

0 引 言

在推行自主创新型社会的大环境下，高校开放实验室无疑是培养高等创新型人才的主要阵地[1]。一个现代化的工科类实验室不仅是验证经典理论的教室，更是一个对知识进行创新性研究的平台。因此，推进高校电工电子开放实验室的高效、安全运行是促进学生创新能力培养的有效途径[2]。

1 研究现状

目前，我国高校的开放实验室基本上都还处于“教师+学生”式的纯人工管理或者是“教师+学生+计算机”式的半人工管理阶段[3]，该管理方法费时费力且效率低下，学生到实验室组织实验的流程较为复杂，从而导致学生自主实验的积极性不高，开放实验室的设置几乎成为摆设。实验室开放的内涵很丰富，但其最基本和最重要的体现是学生能自主进入实验室、机房等场所，进行独立的、合作的学习和研究活动，而不受限于管理人员的陪伴和僵化的作息时间表。但是，传统的管理办法难以为其提供保障[4]。

针对此问题，目前国内有不少高校开展对开放性实验室管理优化的研究。贵州大学的基于STC89C54单片机、ZLG240128F触摸液晶屏的实验室人员出入门禁管理和实验室预约开放系统[5]；西南科技大学的基于网络的RFID门禁管理系统[6]；五邑大学的基于射频识别技术和无线传感器网络技术的无线门禁系统与智能电源管理系统等[7]，实践证明这些平台的构建提高了实验资源利用率、减少管理人员的工作量。但是，这些优化方案都没有实质性、系统性地解决开放性实验室的管理难题。例如，未涉及到智能预约、智能门禁、远程视频音频监控管理、远程答疑、智能手持设备操作、网站自助辅导、设备材料出入库管理等适应现代化开放性实验室的需求。从安全、便捷、人性化的角度出发，一套新型的、完善的针对开放性实验室管理自动化的控制系统亟待开发。

2 整体方案

针对当前电工电子开放实验室在“教师+学生”式的纯人工管理或者是“教师+学生+计算机”式的半人工管理中所暴露出的问题，提出了一种综合全面的新型智能化管理系统设计方案。图1为电工电子智能化开放实验室布置图，其中包括出入门禁、备用紧急通道、讲台、实验台、焊接台、答疑桌、材料柜、设备柜、暂存柜、视频音频监控设备以及智能桌面电源。新型电工电子开放实验室智能管理系统的主要功能如下：预约进出入实验室、预约指定实验台电源开断、预约自取实验设备和材料、自助网上答疑、自助暂存取作品、远程视频音频监控、远程开关门、远程开关电源、远程语音对讲。

图1 电工电子智能化开放实验室布置图

2.1 视频音频监控系统

开放实验室的视频音频监控系统是其整个管理系统中非常重要的一个子系统。视频监控的作用主要用于实验室消防安全、学生活动内容、学生人身安全、设备仪器出入、防盗窃监督[8]。

(1) 实验室消防安全监督。由于电工电子开放实验室属于电类专业实验室，涉及到大功率仪器设备的使用，存在一定的用电安全隐患。管理员通过视频音频监控系统可以及时发现并通过远程喊话方式制止相关的存在消防安全隐患的不当操作行为，或者是通过视频音频监控系统发现了正在发生的消防安全事故，管理员可以及时通知相关部门和人员及时到场救灾。

(2) 学生活动内容监督。电工电子开放实验室主要是为相关专业的学生提供动手实验电工电子技术知识的场所，其中包括所需的仪器、设备和材料。为确保学生在实验室内进行电工电子实验相关的活动，对于占用资源进行其他非相关活动的学生需要通过视频音频监控系统进行排查和劝离，以保证实验室资源的有效利用。

(3) 学生人身安全监督。由于电工电子开放实验室属于电类专业实验室，涉及到用电安全和消防安全，对现场操作的学生的人身安全存在一定的安全隐患。管理员可以通过视频音频监控系统及时发现和制止现场学生的不当操作，以确保其人身安全。

(4) 设备仪器出入监督。电工电子实验室的仪器设备出入管理是一项非常费时费力的工作。由于电工电子实验室仪器设备种类繁多、数量巨大、借用人员复杂、借用期限上限较长等因素。管理员可以通过视频音频监控系统随时点查实验室内仪器设备的类型和数量，如果发现仪器设备的丢失也可以借助回放功能追踪丢失的仪器设备的轨迹动向。

(5) 防盗窃监督。由于开放实验室属于无人现场值守区域，实验室内部的贵重仪器常常成为不法分子的觊觎之物。通过视频音频监控系统可以实时监控和回放实验室内、实验室外走廊以及实验大楼出入口视频、音频监控情况，为追踪不发盗窃份子提供了有力的线索和证据[9]。

传统的视频音频监控系统基本上都是采用的有线连接方式实现终端监控设备与集中控制平台的连接，施工和后期的扩展和维护时需要大量依赖施工单位。随着安防领域科学技术的不断进步，我们设计了一种简洁、方便的视频音频集中监控安装方法，其网络拓扑结构如图2所示。该方法免去了繁琐的布线工作，实验室老师可以自己动手完成安装、维护以及扩展工作，十分便捷。

图2 开放实验室视频音频监控系统网络拓扑结构

传统的视频音频监控系统一般采用的是专人值守总控室的方法，该方法仅节约了值班人手，但是值班人员必须固定在一个地点进行监控工作，特别是对于开放性实验室，寒暑假恰恰是学生自主实验的高峰期，管理员、教师轮班在本地总控室值守难以保证，所以亟待一种更加便捷的值班方式应用到开放实验室监控。为此，我们设计了一种基于流媒体的校园网内家庭PC端、手持移动端通过公网都可以进行实时预览、历史回放、现场监听、远程喊话的智能监控平台，图3、图4分别为开放实验室视频音频监控系统手机端、PC端实时监控画面。这种方式大大提高了高校开放实验室管理的灵活性[10]。

图3 开放实验室视频音频监控系统手机端实时监控画面

2.2 可预约式自助门禁系统

高校开放性实验室具有人员流动性强、时间分配灵活等特点，传统的门禁权限发放方式已经不适用。所以，根据高校开放性实验室的特点设计了一种可预约式的自助门禁权限发放系统。该系统的特点：①结

图4 开放实验室视频音频监控系统PC端实时监控画面

合开放实验室网上自助预约的审核结果自动下发给相关学生在相对应时间段的进出门权限；②现场提前提示预约时间到期显示，提醒学生离开教室；③在相应实验台预约操作时间不冲突的情况下可允许学生通过网上延时申请给予相应进出门权限时间段的补充；④对于离预约时限不足20 min且相应预约学生全部离开实验室的，系统自动发送短信通知返回；⑤可查询历史出入门记录；⑥采用了UPS作为备用电源以适应意外情况下的门禁系统的正常运行。

2.3 智能桌面电源控制系统

高校实验室的用电安全一直是学校安全管理工作的重点。特别是高校开放性实验室，用电安全问题不容忽视。用电安全事故一般包括电器火灾、人员电伤、设备损坏等，这些事故在高校实验室的运行中都是不允许发生的。那么，急需一套完善的桌面电源管理系统来代替值班老师完成这一项艰巨的任务。如图5所示。基于电力载波技术的桌面电源管理系统网络拓扑结构主要是采用电力载波芯片QCA6410[12]，在单个实验室区域(电力载波要求必须在一个回路中)设置一台电力载波主机，为每个实验台的电源插线板植入电力载波芯片，可以通过现有的电力线实现平台服务器对指定实验桌桌面电源的管理[13]。

图5 基于电力载波技术的桌面电源管理系统网络拓扑结构

与可预约式自助门禁系统相似，其电源开断的指令是根据综合管理平台的预约审核情况所定，当系统检测到有学生刷卡进入后会自动下发开启指令给该组学生所预约的相应实验桌电源，当系统检测到学生刷卡离开实验室且确定其结束实验后，系统将自动下发关闭指令给相应实验桌电源，以有效控制用电安全事故的发生。

2.4 综合管理平台

综合管理平台是实现电工电子开放实验室智能管理系统的核心，其主要功能包括：学生预约(包括实验桌预约、设备预约、材料预约)、教师审核、网上自主答疑(包括教师网上答疑、网上实验视频演示)、门禁管理、桌面电源管理、远程视频音频监控管理、现场语音提示等。其实质上是一个具有强交互性的实验室网站平台[14]。综合管理平台功能树图见图6。

图6 综合管理平台功能树图

针对其开发特点，选用了“Visual Basic.NET+SQL Server”的开发工具。在该平台的设计上，考虑到了各种常见工况的发生，例如外力所致的门禁常开、预约时间将至但实验未完成、实验未结束但学生长时间离场等，都设置了相应的处理措施。

3 结 语

高校电工电子开放实验室智能管理系统是一种新

型电工电子开放实验室智能管理系统。该系统借鉴了国内外其他高校的开放性实验室智能管理系统的技术，并结合了自身在开放实验室管理中遇到的种种问题，在多个环节上进行了创新性的设计以及完善补充。考虑到施工成本以及维护成本，采用基本无需布线的无线AP技术以及电力载波技术，节约了大量的人力、物力和财力。在电工电子技术基础教学实验中心开放实验室的试运行中效果显著，特别是在寒暑假期间，开放性实验室利用率达到了80%以上。不足的一点是由于综合管理平台的功能复杂，目前只完成了简单的预约、门禁、视频音频模块的功能，在后期的设计中再做具体研究。

[1] 张彩红,张强哲. 开放实验室创新发展模式初探[J]. 实验室研究与探索,2012(10):168-170.

[2] 冯 斌,刘新宇,郑小林,等. 科技创新能力培育与研究生开放实验室的构建[J]. 研究生教育研究,2011(4):6-9,57.

[3] 叶建元. 基于Web的实验室信息管理系统的研究与设计[D]. 成都: 电子科技大学,2013.

[4] 关昱航. 实验室综合管理系统设计与实现[D]. 长春: 吉林大学,2015.

[5] 张盛耀,段渝龙. 基于单片机的开放实验室管理系统设计[J]. 中国新通信,2013(19):127-128.

[6] 李郁峰,高小明. 基于网络的低成本实验室门禁管理系统[J]. 实验室研究与探索,2010(6):169-171,194.

[7] 周开利,刘江豪,黎 娟. 开放实验室无线门禁系统与智能电源插座设计[J]. 物联网技术,2014(6):34-37.

[8] 汤志军. 智能视频监控系统在高校实验室的应用研究[J]. 信息系统工程,2012(12):92-93,88.

[9] 林 鹏. 基于流媒体实验室监控系统的设计及实现[J]. 实验室研究与探索,2007(2):21-22,86.

[10] 张万良. 基于RFID技术的实验室门禁系统设计[J]. 电子测试,2013(22):16-17,20.

[11] 陈廷辉,蔡志远. 采用电力载波模块对控制与保护开关的远程控制方案[J]. 低压电器,2010(23):33-36.

[12] 高 伟. 基于电力载波技术的LED路灯监控系统研制[D]. 杭州: 浙江大学,2012.

[13] 蔡春梅. 基于.NET的高校实验室管理系统的研究与设计[J]. 无线互联科技,2013(1):70.

[14] 陈泽恩. 基于.NET的实验室管理系统的设计与实现[D]. 成都: 电子科技大学,2013.

Research of New Type of Intelligent Management System for Electrical and Electronic Laboratory

WANGWei,YANGHao,ZHAOYi-zhou

(Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Mainly for the problem that various hidden dangers for safety are difficult to be eliminated under the pure artificial or semi-artificial management methods in electrical and electronic opening-laboratory in universities, a new type of intelligence management system has been invented. The system has intelligent software, simplistic hard, long-distanced management, incorporates self-service and high security. The system satisfies various operation requirements of the scene that no administrator in opening-laboratory because it sets the advanced wireless AP technology, electric power carrier, dynamic database technology, website construction technology and mobile Internet interactive technology. And the system’s application effect is obvious in opening laboratories of Electrical and Electronic Technology Experiment Teaching Center of Chongqing University. Especially, during the winter and summer vacations, the open laboratory utilization rate reaches more than 80%.

laboratory management; intelligent management; entrance guard system; video monitoring system; intelligent power management

2015-11-15

王 唯(1989-)，男，湖北远安人，硕士，助理实验师，研究方向：实验室管理自动化、实验教学辅助设计。

Tel.：13983138855；E-mail:cqu_ww@126.com

TN 710；G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0273-04