高校实验室信息管理应用系统设计与实现

潘宇　张叶茂　莫淑贤

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

中圖分类号：TP311     文献标识码：A

Design and Implementation of Information Management and

Application System for University Laboratory

PAN Yu1， ZHANG Yemao1， MO Shuxian2

（1.Nanning College for Vocational Technology， Nanning 530008， China;

2.Guangxi Vocational College of Technology and Business， Nanning 530008， China）

664355872@qq.com; 43882320@qq.com; 782062042@qq.com

Abstract： This paper proposes an information management and application system for university laboratories. The proposed system provides functions including leave management， file sharing， indoor temperature and humidity display， lighting control， air conditioning control， ceiling fans control， surveillance camera， classroom control， desktop power control. The use of lab instrument by students can also be recorded. The recording data can be traced and stored in database. Compared with the traditional way of data storage， this information management system is more reliable and safe， providing quick information query and overall coordination of lab instruments， improving the utilization rate of equipment， so as to achieve the network， standardization， high efficiency of daily laboratory management.

Keywords： university laboratory; information management system; utilization

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。

本电路设计有过流过载保护功能。当负载过载或者短路时，Q2的集电极电流增大，Q2的发射极电阻R7上产生较高的压降，这个过载或者短路产生的高电压经过R8让Q1饱和导通，从而让Q2截止，停止输出，防止过载损坏。

4   系统软件设计（System software design）

4.1   软件总体架构设计

软件设计采用B/S结构即浏览器和服务器结构，如图5所示，用户界面通过浏览器来实现，主要事务逻辑在服务器端实现，实现跨平台的特性，通过JavaScript、Html、JQ等技术结合LAYUI框架搭建出扁平化风格的前端界面，使用C#、.NET、MYSQL完成后台服务器端的开发，WEB前端的功能采用模块化的设计[4]，可以在原基础功能上扩展出更多的功能，同时不会影响到整体的浏览效果。

通过实验室管理系统，可以获取到各专业学生的信息，数据直观，显示信息有：院系、专业、班级、学号、名字、性别、联系方式、请假时间、收假时间、备注信息，信息的录入可直接使用Navicat Premium数据库管理工具。

使用可道云WEB文件管理框架，基于FTP文件服务器搭建的一个校园内网的FTP文件服务，可以设置教师私有文件，以及校园内网公有的共享文件，通过WEB对文件操作，将课堂记录的迟到、早退、旷课的同学名单提交到数据库，在学期期末的时候可以调出数据统计。

采用上位机轮询服务器的方法来达到数据中介转发的效果，将WEB操作的信息通过数据库记录，服务器处理后传输到上位机，由上位机分发到下位机设备。灯光控制器硬件上使用一个双控开关和一个继电器电路组成一个双控电路，WEB端和墙壁开关都可以独立对灯光进行控制，空调控制器通过红外解码发射头适配上空调的红外编码程序后即可通过WEB实现控制[5]，系统软件实现功能结构，如图6所示。

4.2   数据库系统设计

本系统数据库采用MySQL数据库，支持所有的操作系统平台，支持Apache、IIS等多种Web服务器，MySQL是一个真正的多用户、多线程的SQL数据库服务器[6]，数据库层操作功能强大，可操纵多种主流数据库，SQL是世界上最流行的和标准化的数据库语言，它使得存储、更新和存取信息更加容易，MySQL是一个客户机/服务器结构的实现，它由一个服务器守护程序MySQL和许多不同的客户程序及库组成[7]，数据库结构平台主要的数据表，如图7所示。

4.3   WEB前端设计

实验室信息管理系统结合LAYUI框架，利用HTML、CSS等技术，对系统各界面进行设计，系统主界面，如图8所示，达到功能菜单简洁明了，色彩搭配合适，美观自然，作为系统的创新特色，采用JavaScript、JQ、Unity3D等技术，实现实验仪器三维模型展示，如图9所示，使学生在做实验前后对仪器仪表都有一个直观形象的认识。

4.4   服务器数据处理

服务器数据处理采用C#语言，C#是一种安全的、稳定的由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言，C#综合了VB简单的可视化操作和C++的运行效率，以其强大的操作能力、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言，可以快速基于.NET提供的一系列的工具和服务来最大限度地开发。

5   结论（Conclusion）

高校实验室信息管理应用系统的桌面打卡系统改变了以往使用纸质记录学生使用实验设备的情况，打卡数据连入学校数据库，以网络形式储存数据，这也是互联网时代的主流，服务器终端可以随时查询数据，实验室灯光采用双向控制，手动和教室终端控制，两端都能控制灯的状态，WEB端可以控制风扇或空调，当无人使用实验室时，若灯光空调风扇等没有关闭可以通过网页端操作关闭，达到节约用电的目的，实验室安全监控可以通过系统在手机端实时查看，以上的功能的特点，经过实践管理与教学表明，通过本系统的应用提升了实验室管理效率，方便师生实验室的使用与实验课程的教学活动开展。

参考文献（References）

[1] Yi Lyu. Performance evaluation of real-time stream processing systems for Internet of Things applications[J]. Future Generation Computer Systems， 2020， 5（6）： 207-217.

[2] Junyan Gao. Joint model for residual life estimation based on Long-Short Term Memory network[J].

Neurocomputing， 2020， 2（4）： 284-294.

[3] 杜博.高校實验室管理系统的设计与实现[J].电子设计工程，2011，19（15）：36-39.

[4] 闫海发.基于机智云物联网智能家居系统[J].探索与观察，2018，12（50）：181-182.

[5] 陈根.互联网+智能家居-传统家居颠覆与重构[J].软件导刊，2020，10（2）：212-213.

[6] 贾灵，郑淑君.物联网无线传感网原理与实践[J].科技广场，2017，11（11）：361-362.

[7] 刘林涛，蔡瑜珩.基于Web技术的开放式实验室管理系统的研究与开发[J].实验室科学，2014，17（4）：187-192.

作者简介：

潘   宇（1988-），男，硕士，讲师/工程师.研究领域：嵌入式系统开发，计算机应用.

张叶茂（1983-），男，硕士，副教授/高级工程.研究领域：智能控制技术.

莫淑贤（1987-），女，硕士，讲师.研究领域：教育管理及信息化.本文通讯作者.