基于智慧校园的实验室管理系统研究

摘 要：高校实验室实训室的管理一直是一个亟待解决的难题。随着智慧校园在高校中的普及，实验室也可以依托物联网、云计算等新技术进行信息化管理。文章描述了一种基于单片机和混合通信模块的实验室管理终端设计，该终端不仅可以使用物联网技术对教师、学生和相关设备进行管理，同时还可以通过无线模块进行作业的分发和收集。由于该装置集成了定位模块和独立电源模块，可对该装置进行重复利用。

关键词：高校实验室实训室；智慧校园；信息化管理

基金项目：2016年安徽机电职业技术学院院级重点研究项目；项目名称：多场景Vanet广播路由研究；项目编号：2016zdzr10。

作者简介：张静（1984— ），女，安徽芜湖，本科，助理实验师；研究方向：高校实验室建设，网络设计。

随着物联网和云计算技术的普及与应用，传统的教育管理已不能适应于当前的形势。传统的以网络覆盖为标志的数字校园逐步向依托于物联网、移动互联等技术的智慧校园发展。智慧校园的内涵包括具有环境全面感知、网络无缝互通、海量数据支撑、开放学习环境和师生个性服务等5个方面的特征[1-2]。传统的高校实验实训室管理模式已不能适应于当前的形势，如何将其融入智慧校园的建设，需要基于智慧校园平台设计出相关的装置。

1 实验室管理终端设计

由于高校前期均建立了相关无线基础设施，几乎在校园内学生都可以享受到高带宽的数据接入，基于智慧校园的实验室管理装置主要有以下设计要点。（1）门禁、电源控制模块。使用物联网技术控制实训室相关门禁系统，使得实训室在规定的时间能够开门和打开实训室电源装置。（2）终端控制模块包括：单片机主控模块、无线网络传输模块、实验室人数实时统计模块（蓝牙统计）、课程资源分发收集模块等。单片机主控模块控制各模块的工作，无线网络传输模块使用ZigBee技术、WLAN技术、蓝牙技术来传输各类信息。课程资源分发收集模块主要是用来验证课表中的课程，同时来分发和收集相关课程作业信息。实验室人数统计模块是使用蓝牙通信方式实时收集所在区域的学生和教师信息。（3）设备装置的可重用性和可扩展性。当实验室需要改建或者重建，该装置可以做到“即插即用”。由于有定位装置和电源装置，只需要进行相关参数设置，就可以用于教室和体育馆等其他实验实训场所。下文将具体介绍这几种设计要点。

1.1 装置无线通信模块设计与实现

无线通信模块是该装置的核心部分，主要负责进行数据通信和部分协同工作，由于校园网内均有WiFi信号覆盖，可以使用无线WiFi进行大量数据的传输和校时工作，装置通信模块框如图1所示。各网络通信模块均连接至主控模块MCU，同时均有相关外置天线，用于信号的发射。无线WiFi[3]模块使用超低功耗的串口WiFi模块USR-C215，能够实现TTL串口与WiFi的双向透明传输，波特率为1 200～460.8 kbps。主要用于装置系统与服务器之间的校时工作、上传学生作业至服务器、下载并分发教师作业，同时可以定期的上传日志工作。ZigBee模块[4]主要是负责实验实训室的门禁系统，在上课时候把门开启，同时在无人的时候（通过红外感应）将门关闭。GPS定位模块[5-6]主要使用MT6261D芯片实现装置的定位，它为服务器的管理提供依据，同时为后期装置的重用提供保障。无线蓝牙模块使用低功耗蓝牙无线芯片NRF51822连接MCU，主要用于学生和教师的考勤工作，由于教师和学生手机均有蓝牙功能，装置通过不定期地发送考勤请求来完成考勤工作。由于蓝牙的传输距离受限，这种方式既完成了考勤的目的，也不会干扰到其他实训室的考勤工作。

1.2 装置硬件结构和主要功能

该装置主要安装在实训室的门上，可以使用挂壁式的或嵌入式的。在设计过程中，主要考虑到装置的供电问题，可以通过交流电进行供电，也可以使用相关的蓄电池对装置供电，该装置的主要结构框如图2所示。装置通过无线传输模块和天线模块与服务器进行通信，获取服务器上准确的时间信息并定时更新。在每日的6：00，装置定时同服务器进行通信，下載本实验实训室今天所有的课程信息和相关资料信息，并将其存到FLASH存储模块中。上课前20分钟，ZigBee模块会自动打开门禁系统，并在LCD显示器上显示课程相关信息和教师相关信息，学生可以进入实训场所。上课时，装置会自动将教师本次课程的相关资料和作业文件通过WiFi或者实训室局域网传送至学生的客户机上，供学生完成。当课程结束后，装置通过红外感应模块判断实训室是否有学生，如果没有会自动关上门，同时开启安防模式。如果此时有非法进入，就会通过无线传输模块通知服务器，同时通过声光报警模块进行报警。

学生也可以通过每个实训室门前的LCD显示器查询相关实训室的安排情况，学生只需要通过键盘输入模块输入学号、时间，就可以看到该实训室的安排。输入部分为矩阵键盘，这是数字系统中很常用的输入方式。0～9数字键，输入学号、教室号、周几等等信息；SET键，选择输入、确认等信息；DEL键，用于输错删除等；ESC键，退出查询返回主菜单。

指纹识别模块是在特殊情况下使用的，一般装置在FLASH中存储着管理员的指纹信息和部分教师的指纹信息。当装置发生错误导致无法进行门禁开启时，可以通过指纹进行解锁操作。

学生进入教室后，开启自己手机的蓝牙功能，装置通过搜集学生的蓝牙信息来进行考勤。同时，生成一张考勤表传送给服务器。由于装置会周期性地进行考勤工作，这样可以防止学生中途离开，也可对学生迟到和旷课进行区分。

1.3 装置的软件设计

装置的软件设计是整个产品的核心部分，使用该系统的用户无非4类人，教师、学生、实训室管理员和系统管理员。（1）学生可以通过网页或者移动客户端平台登录管理系统（见图3），不仅可以修改个人信息，查看个人的课表和课程所在的实验室，同时还可以通过该平台查询自己的相关考勤记录和相关课程信息。（2）教师可以通过该平台上传相关课程的授课资料、学生的作业等文件。文件通过服务器传送给相关实训室的FLASH中（由于FLASH容量有限，每个装置只存储当天的文件信息，服务器上保存所有历史信息），该文件将在上课时传送给学生用户，教师还可以通过该系统查看到课程所有考勤的情况。（3）实训室管理员用户可以通过系统查看自己实训室的使用情况，包括教师课表、机器使用情况、学生考勤情况、装置的异常日志等信息。由于系统自己可以生成报表，这样大大减轻了实训室教师的工作强度。（4）系统管理员用户，该类用户可以通过系统得到所有装置的使用情况报告（包括日志信息、错误消息和代码等），同时可以管理各类用户。

2 结语

文中采用单片机与各类传感器模块相结合设计的高校实验实训室管理系统，已在部分高校的相关实训室进行小范围的试用。实际运行使用中，该装置工作稳定可靠，同时，可大大降低实验实训人员的工作强度，将其适当修改可用于教室的管理中，适合在高校特别是实训室较多的高职院校进行推广。

无线互联科技

Wireless Internet Technology

[参考文献]

[1]黄荣怀，张进宝，胡永斌，等.智慧校园：数字校园发展的必然趋势[J].开放教育研究，2012（4）：12-17.

[2]蒋东兴.“云端一体化”高校智慧校园畅想[J].中国教育网络，2014（1）：49-52.

[3]曾磊，张海峰，侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设計与实现[J].电测与仪表，2011（547）：81-96.

[4]方颖松.RFID 技术在库存管理中的应用[D].上海：复旦大学，2008.

[5]孙国峰，胡景春.基于Android 的物联网控制系统的设计与实现[J].微型机与应用，2013（1）：7-10.

[6]夏忠球.浅谈GPRS的网络工作原理及其优势[J].电脑与电信，2010（12）：36-37.

Abstract： The management of laboratory training room in colleges and universities has always been a difficult problem to be solved. With the popularization of smart campus in colleges and universities， the laboratory can also rely on internet of things， cloud computing and other new technologies for information management. This paper describes the design of a laboratory management terminal based on single chip and hybrid communication module. The terminal can not only use the internet of things technology to manage the teachers， students and related equipment， but also can carry out work distribution and collection through the wireless module. Because the device integrates the positioning module and the independent power module， it can be reused.

Key words： laboratory training room in colleges and universities； smart campus； information management